СВЧ разряд в магнитном поле в условиях электронного циклотронного резонанса (ЭЦР) уже давно привлекает к себе внимание исследователей. Первоначально изучение ЭЦР разряда было связано, главным образом, с экспериментами в легких газах, проводимыми в рамках программы по управляемому термоядерному синтезу (см., например, [1−8]). В дальнейшем ЭЦР разряд в открытых магнитных ловушках стал использоваться также в других областях науки и техники. Например, в ядерной физике, где на базе ЭЦР разряда в тяжелых газах созданы эффективные источники многозарядных ионов. Требования к этим источникам постоянно возрастают: необходимо повышать как заряд ионов q (поскольку энергия разогнанных заряженных частиц в циклотронном Л ускорителе пропорциональна q [9, 10]), так и интенсивность ионных пучков для увеличения вероятности наблюдения реакции. Именно источники многозарядных ионов (источники МЗИ) на основе ЭЦР разряда в магнитной ловушке считаются в настоящее время наиболее перспективными в этом плане [10,11]. Такие устройства позволяют одновременно: поддерживать электронную температуру плазмы на высоком уровне, необходимом для многократной ионизации газа и достаточно долго удерживать плазму для обеспечения глубокой обдирки ионов. Основные потери плазмы связаны с ее выносом через магнитные пробки ловушки, что позволяет с помощью традиционных систем экстракции формировать качественные интенсивные ионные пучки. В настоящее время развитие источников многозарядных ионов во многом определяет развитие экспериментальной ядерной физики.
Один из путей совершенствования ЭЦР источников МЗИ связан с повышением частоты и мощности СВЧ накачки. Это стало очевидным после того, как в работах [12, 13] экспериментально было продемонстрировано значительное увеличение выхода многозарядных ионов из ЭЦР источника при изменении частоты греющего СВЧ излучения с 10 до 18 ГГц — ток ионов со средним по распределению зарядом увеличился пропорционально квадрату частоты накачки. Это связано с тем, что в ЭЦР разряде предельно достижимая плотность плазмы определяется частотой СВЧ излучения, что объясняется тем, что при приближении ее концентрации к критическому значению эффективность нагрева резко падает. В связи с перспективностью повышения частоты накачки, исследования СВЧ разряда в магнитном поле, поддерживаемого мощным излучением гиротронов с частотой свыше 30 ГГц, представляются необходимыми и своевременными.
Уже первые эксперименты, проведенные в ИПФ РАН, с использованием мощного СВЧ излучения гиротрона на частоте 37,5 ГГц [14] подтвердили сильную зависимость тока ионов от частоты. Причем, в ходе этих исследований экспериментально наблюдался принципиально другой характер удержания плазмы в ловушке, отличный, от используемого в остальных современных ЭЦР источниках. При достаточно высокой плотности плазмы может реализовываться так называемый квазигазодинамический режим удержания [15], время жизни плазмы в котором мало и не зависит от ее концентрации. Несмотря на небольшое время жизни плазмы в ловушке, за счет высокой плотности плазмы параметр ее удержания (произведение концентрации плазмы на время ее жизни) может достигать уровня достаточного для эффективной генерации МЗИ. В этом случае плотность потока плазмы из ловушки через ее пробки оказывается на несколько порядков выше, чем в используемых сейчас ЭЦР источниках, что делает возможным получение ионных пучков с рекордно высоким током. Поэтому детальное изучение квазигазодинамического режима удержания плазмы в условиях мощной накачки СВЧ излучением миллиметрового диапазона длин волн является актуальным.
Также следует отметить, что малое время жизни при квазигазодинамическом режиме удержания позволяет реализовывать быстрое развитие ЭЦР разряда и, следовательно, короткое время выхода параметров плазмы на стационарное значение, что является необходимым для создания короткоимпульсных ЭЦР источников ионов. Создание таких систем в настоящее время требуется для решения ряда задач, например, для исследования эффекта осцилляций нейтрино в рамках проекта «Beta Beam» [16].
В последние несколько лет гиротроны хорошо зарекомендовали себя в экспериментах с классическими ЭЦР источниками ионов [17 — 20], которые наиболее распространены на сегодняшний день. Для удержания плазмы в таких источниках используются открытые магнитные ловушки с конфигурацией магнитного поля «min В» [11], которая формируется комбинацией поля простого пробкотрона и поля многополюсной магнитной системы (обычно шестиполюсной), являющейся аналогом «палок Иоффе». Данная конфигурация магнитного поля обеспечивает эффективную стабилизацию МГД возмущений плазмы в ловушке. Такие системы позволяют создавать плазму с концентрацией электронов от 1−1011 до 51 012 см" 3 при их температуре до нескольких кэВ. Основным преимуществом описываемых источников является большое время жизни плазмы в магнитной ловушке, за счет которого обеспечивается глубокая обдирка ионов. Максимальная частота СВЧ накачки, используемая в классических ЭЦР источниках МЗИ, в настоящее время составляет 28 ГГц [17, 18]. Однако дальнейшее повышение частоты греющего излучения в таких системах оказывается ограничено рядом проблем. Строительство ловушек с конфигурацией магнитного поля «min В», рассчитанных на частоты накачки свыше 30 ГГц, на современном этапе представляется весьма затруднительным из-за необходимости создания очень сильных полей при сложной их структуре, необходимой для борьбы с МГД неустойчивостями. Действительно, условие гирорезонанса требует величины магнитного поля более 2 Тл при частотах накачки выше 30 ГГц. В связи с этим, нагрузка на элементы магнитной системы становится очень велика, поэтому ловушки с неосесимметричной конфигурацией магнитного поля оказываются очень дорогими. Следовательно проблема поиска более простых осесимметричных магнитных ловушек для удержания плазмы в ЭЦР источниках МЗИ становится особенно актуальной. Простейшей ловушкой, удовлетворяющей этим требованиям, является ловушка со встречными полями или касп [21].
Следуя тенденции увеличения частоты СВЧ накачки и необходимости МГД стабилизации плазмы в ловушке ЭЦР источника, в диссертации были проведены исследования по созданию плотной неравновесной плазмы ЭЦР разряда в тяжелых газах в ловушке со встречными полями при квазигазодинамическом режиме удержания. В экспериментах в качестве СВЧ накачки использовалось мощное излучение гиротронов с частотами 37,5 и 75 ГГц. Это позволило создавать плазму с уникальными параметрами: концентрацией электронов от 1 -1013 до 61 013 см" 3 и их температурой от 50 до 300 эВ при низкой температуре ионов. При этом величина параметра удержания составляла не менее 108 с см" 3. В рамках данных работ был детально изучен квазигазодинамический режим удержания плотной плазмы в ловушке ЭЦР источника и продемонстрирована возможность генерации МЗИ даже при столь малом времени жизни. Отметим, что малое время жизни при высокой концентрации плазмы позволяет добиваться рекордных значений плотности потока ионов из ловушки, которая определяется отношением N/t. Проведенные в данной диссертационной работе теоретические и экспериментальные исследования продемонстрировали возможность создания ЭЦР источника МЗИ на основе ловушки со встречными полями с накачкой мощным излучением миллиметрового диапазона длин волн. В результате исследований был изучен новый тип ЭЦР источника, использующего квазигазодинамический режим удержания плазмы — газодинамический ЭЦР источник МЗИ. Основным преимуществом такого источника является потенциальная возможность получения ионных пучков с током порядка 1 А, которые чрезвычайно востребованы на сегодняшний день и в тоже время не могут быть сформированы за счет использования классических ЭЦР источников. Особенно интересны такие источники для создания короткоимпульсных пучков МЗИ (с длительностью импульса до 100 мкс) с высоким током, который предполагается использовать в экспериментах по исследованию эффекта осцилляции нейтрино в рамках крупного европейского проекта EURISOL [22] и в исследованиях по термоядерному синтезу на тяжелых ионах (Heavy Ion Fusion) [23].
Целью диссертационной работы являлось изучение квазигазодинамического режима удержания неравновесной плазмы тяжелых газов в открытых магнитных ловушках в условиях мощного ЭЦР нагрева излучением миллиметрового диапазона длин волн. Поиск путей увеличения заряда ионов в плазме в таких условиях, анализ возможности экстракции из плазмы ионного пучка с высоким током. Исследования перспектив применения осесимметричных МГД-стабильных магнитных ловушек для удержания плазмы в ЭЦР источнике МЗИ.
Объектом исследований, описанных в диссертационной работе, являлась неравновесная плазма ЭЦР разряда, удерживаемая в открытой осесимметричной магнитной ловушке и поддерживаемая мощным излучением миллиметрового диапазона длин волн. В большей части экспериментов для удержания плазмы использовалась ловушка со встречными полями. Эксперименты проводились при использовании частот накачки 37,5 и 75 ГГц, при этом плотность потока энергии в СВЧ пучке достигала 10 кВт/см2 и 100 кВт/см2 соответственно, а давление в разрядной камере менялось от 10″ 4 до 10″ 2 Торр.
Научная новизна исследований, проведенных в диссертации, связана с тем, что СВЧ излучение гиротронов миллиметрового диапазона длин волн, использовавшееся в качестве СВЧ накачки в данной работе, позволяло создавать плазму с концентрацией свыше 1013 см" 3, что существенно выше, чем в классических ЭЦР источниках МЗИ. При этом температура электронов достигала нескольких сотен эВ. Изучение процесса генерации МЗИ в таких условиях проводилось только в ИПФ РАН. В основной части проведенных исследований для удержания плазмы использовалась ловушка со встречными полями, которая обеспечивала стабилизацию МГД возмущений. Развитие ЭЦР разряда в тяжелых газах в таких ловушках с накачкой мощным СВЧ излучением гиротронов миллиметрового диапазона длин волн не исследовалось ранее. В ходе работы впервые был подробно исследован квазигазодинамический режим удержания неравновесной плазмы ЭЦР разряда в тяжелых газах в ловушках со встречными полями. Было показано, что использование таких систем позволяет получать стабильные пучки МЗИ с большими токами и величиной яркости, превосходящей лучшие мировые результаты на сегодняшний день.
В рамках данной диссертационной работы впервые был исследован ЭЦР разряд в тяжелых газах, поддерживаемый СВЧ излучением с частотой 75 ГГц. Проведенные исследования продемонстрировали перспективность повышения частоты СВЧ накачки для увеличения тока и среднего заряда ионов в экстрагируемом пучке ЭЦР источников.
МЗИ, использующих квазигазодинамический режим удержания плазмы (газодинамические ЭЦР источники).
Реализация квазигазодинамического режима удержания плазмы в ловушке источника МЗИ позволила достичь рекордно малых для ЭЦР источников времен выхода параметров плазмы разряда на стационар — менее 15 мкс, тогда как в традиционных ЭЦР источниках это время составляет не менее 100 мкс. Полученные результаты открывают возможность создания короткоимпульсных ЭЦР источников МЗИ, необходимых для ряда крупных проектов [22, 23].
Создана теоретическая модель формирования плазмы и генерации МЗИ в ней в ловушке газодинамического ЭЦР источника, базирующаяся на уравнениях ионизационного баланса. Проведенные исследования показали хорошее соответствие результатов расчетов экспериментальным результатам. Это позволило спрогнозировать характеристики ЭЦР источника МЗИ, использующего более высокие частоты СВЧ накачки. На основе этих данных предложен новый тип импульсных ЭЦР источников многозарядных ионов — газодинамические сильноточные ЭЦР источники. Создание интенсивных потоков плазмы в газодинамических ЭЦР источниках дает уникальную возможность экстрагировать пучки многозарядных ионов с высоким током и высокой яркостью. Например, в описанных в диссертации экспериментах были получены пучки ионов азота с зарядом +2 с током 6 мА и нормализованной яркостью более 0,3 АУ (л'мм'мрад). Теоретический анализ показал, что возможно достижение и более высоких результатов.
Научная и практическая значимость: как уже говорилось выше, успехи последних лет в ядерной физике связывают именно с широким применением ЭЦР источников многозарядных ионов для инжекции ионов в циклотронные и линейные ускорители. Исследования таких источников представляются актуальными для институтов, эксплуатирующих ускорители тяжелых ионов. Также исследования продемонстрировали перспективность использования газодинамического ЭЦР источника МЗИ для генерации короткоимпульсных пучков ионов (20−100 мкс), производство которых требуется в рамках проекта «Beta Beam» и исследованиях по термоядерному синтезу на тяжелых ионах. Данные диссертации использовались в работе Объединенного института ядерных исследований (Дубна, Россия), Лаборатории субатомной физики и космологии (Гренобль, Франция), GSI (Дармштадт, Германия).
Демонстрация возможности формирования широких пучков многозарядных ионов с большим током делает возможным использование результатов диссертации в области технологии обработки поверхностей энергичными ионами и в экспериментах по программе термоядерного синтеза на тяжелых ионах. Эти данные, полученные в диссертации, предполагается использовать в Lawrence Berkeley National Laboratory (Беркли, США).
Структура и объем диссертации
.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. В первой главе приводится теоретическое описание процесса формирования и удержания плазмы в ЭЦР источнике МЗИ. Во второй главе описываются экспериментальные установки, которые были сконструированы для исследования параметров плазмы ЭЦР разряда в осесимметричных магнитных ловушках в условиях интенсивного нагрева СВЧ излучением миллиметрового диапазона длин волн и проверки теоретических прогнозов, полученных на основе модели представленной в главе 1. В третий и четвертой главах приводятся результаты экспериментов и их сравнение с численными оценками. Общий объем диссертации составляет 145 страниц, включая 60 рисунков.
Список литературы
содержит 60 наименований.
Заключение
.
Полученные в диссертационной работе основные научные результаты заключаются в следующем.
1. Построена теоретическая модель, описывающая динамику развития ЭЦР разряда в тяжелых газах в открытых магнитных ловушках и процесс формирования многозарядных ионов (МЗИ) в плазме разряда. Особенностью модели является учет влияния на функцию распределения электронов по энергиям на начальной стадии разряда эффекта суперадиабатического взаимодействия электронов с СВЧ волной в условиях ЭЦР. Результаты расчетов в рамках модели хорошо согласуются с экспериментальными данными.
2. Предложен бесконтактный метод определения температуры и концентрации электронов в сильноионизованной плазме ЭЦР разряда при квазигазодинамическом режиме ее удержания в магнитной ловушке по экспериментально измеренным величинам плотностей потоков ионов всех кратностей ионизации через пробки ловушки.
3. Разработаны компактная магнитная система и разрядная вакуумная камера, позволившие оптимизировать время жизни плазмы при квазигазодинамическом режиме удержания в ловушке со встречными полями в условиях экспериментальной установки SMIS 37. Получена плазма с концентрацией 1 -з электронов примерно 10 см' при их температуре около 50 эВ и временем жизни в ловушке 10 мкс, что обеспечило параметр удержания на уровне, достаточном для генерации МЗИ.
4. Впервые экспериментально реализован квазигазодинамический режим удержания неравновесной плазмы ЭЦР разряда в тяжелых газах в ловушке со встречными полями при мощной СВЧ накачке, и определены условия для эффективной генерации МЗИ.
5. Получены потоки ионов с плотностью до нескольких ампер через квадратный сантиметр из плазмы ЭЦР разряда, удерживаемой в ловушке со встречными полями и созданной мощным СВЧ излучением гиротрона с частотой 37,5 ГГц и мощностью до 100 кВт. Продемонстрирована возможность получения пучков МЗИ (со средним зарядом 2−3 для азота) с рекордной яркостью.
6. Продемонстрирована возможность быстрого ЭЦР пробоя газа в ловушке ЭЦР источника МЗИ (менее 15 мкс) за счет реализации квазигазодинамического режима удержания плазмы при использовании в качестве накачки излучения гиротрона миллиметрового диапазона длин волн. Получены пучки многозарядных ионов с длительность импульса ~ 50 мкс.
7. Впервые были проведены эксперименты по исследованию эффективности ионизации гелия в плазме ЭЦР разряда, удерживаемой в простой зеркальной магнитной ловушке в условиях интенсивной СВЧ накачки на частоте 75 ГГц. Было продемонстрировано существенное увеличение параметра удержания за счет повышения частоты греющего поля и, как следствие, рост среднего заряда ионов в плазме.
Список публикаций по теме диссертации.
1А] V.E. Semenov, V.A. Skalyga, V.G. Zorin. Scaling for ECR Sources of Multicharged Ions with Pumping at Frequencies from 10 to 100 GHz // Review of Scientific Instruments, v. 73, n2, Part II, p. 635 — 637, 2002.
2A] А. В. Водопьянов, C.B. Голубев, В. Г. Зорин, C.B. Разин, А. В. Сидоров, В. А. Скалыга, А. Г. Шалашов. Динамика СВЧ разряда в магнитном поле в условиях сильной предварительной ионизации газа // Изв. Вузов: Радиофизика, т. 46, № 8−9, с. 822−829, 2003.
ЗА] S. V Golubev, S.V. Razin, A.V. Sidorov, V.A. Skalyga, A.V. Vodopyanov, V.G. Zorin. High Current Density Ion Beam Formation from Plasma of ECR Discharge // Review of Scientific Instruments, v.75, n5, p. 1675−1677,2004.
4A] S.V. Golubev, I.V. Izotov, S.V. Razin, V.A. Skalyga, A.V. Vodopyanov, V.G. Zorin. Multicharged Ion Generation in Plasma Created by Millimeter Waves and Confined in a CUSP Magnetic Trap // Transactions of Fusion Science and Technology, v. 47, n. IT, fuste8, p. 345−347,2005.
5A] V. Skalyga, V. Zorin, V. Izotov, A. Sidorov, T. Lamy, P. Sortais, T. Thuillier. Gas Breakdown in ECR ion Source // Review of Scientific Instruments, v.77, n3, p. 03A325−1 -03A325−3,2006.
6A] V. Skalyga, V. Zorin, I. Izotov, S. Razin, A. Sidorov, A. Bohanov. Gasdynamic ECR Source of Multicharged Ions Based on a Cusp Magnetic Trap // Plasma Sources Science and Technology, 15, p. 727−734,2006.
7A] А. Ф. Боханов, В. Г. Зорин, И. В. Изотов, C.B. Разин, А. В. Сидоров, В. А. Скалыга. Создание плотных потоков многозарядных ионов из ЭЦР источника на базе ловушки со встречными полями с квазигазодинамическим режимом удержания плазмы // Физика плазмы, т. 33, № 5, с. 385−394,2007.
8А] S. Golubev, I. Izotov, S. Razin, A. Sidorov, V. Skalyga, A. Vodopyanov, V. Zorin, A. Bokhanov. High Current ECR Source of Multicharged Ion Beams // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, v. 256, p. 537 — 542,2007.
9A] V.E. Semenov, V.A. Skalyga, V.G. Zorin. Generation of multiple-charge ions in an ECR discharge in the quasi-gasdynamic confinement regime. // Proceedings of 15th International Workshop on ECR Ion Sources (ECRIS'02), June 12−14,2002. (Finland), p. 196−199.
10A] S. Golubev, D. Mansfeld, S.V. Razin, V. Skalyga, A. Vodopyanov, V. Zorin, R. Geller, T. Lamy, P. Sortais, T. Thuillier, V. Murugov, A. Senik, A. Kravchenko, D. Litvin, V. Misko, S. Petrov. Progress Report of Investigations on Gyrotron ECR Ion Source SMIS.
37. // Proc. of the 15th International Workshop on ECR Ion Sources (ECRIS'02). Jyvflskyta, Finland, June 12−14, 2002, p. 21−24. [11 A] S.V. Golubev, S.V. Razin, V.A. Skalyga, A.V.Vodopyanov, V.G. Zorin, T. Lamy, P. Sortais. Applications of Dense Plasma of ECR Discharge Sustained by Powerful Millimeter Wave Radiation. // Proc. of 12th Joint Workshop on Electron Cyclotron Emission and Electron Cyclotron Resonance Heating. Aix-en-Provence, France, May 13−16,2002, p. 353 -358.
12A] S. Golubev, D. Mansfeld, S.V. Razin, V. Skalyga, A. Vodopyanov, V. Zorin, V. Murugov, A. Senik, A. Kravchenko, D. Litvin, V. Misko, S. Petrov, R. Geller, T. Lamy, P. Sortais, T. Thuillier. ECR Ion Sources: Recent Developments. // Proceedings of the 5-th International Workshop «Strong Microwaves in Plasmas». Ed. by A.G. Litvak. Nizhny Novgorod, Russia, 2003, v. 2, p. 618−630.
13A] B.A. Скалыга, В. Г. Зорин. Определение параметров плазмы в ловушке ЭЦР источника многозарядных ионов по характеристикам экстрагируемого ионного пучка. // Сборник докладов второй научно-технической конференции «молодежь в науке». 12−14 ноября 2003, РФЯЦ-ВНИИЭФ, г. Саров. Стр. 637−640. [14А] А. В. Водопьянов, С. В. Голубев, В. Г. Зорин, С. В. Разин, А. В. Сидоров, В. А. Скалыга, А. Г. Шалашов. Создание плотной плазмы в прямой магнитной ловушке с малым полем. // Труды конференции «Физика низкотемпературной плазмы ФНТП-2004», Петрозаводск.
15A] V. Skalyga, V.Zorin. Multicharged Ion Generation in Plasma Confined in a Cusp Magnetic Trap at Quasigasdynamic Regime. // Proceedings of the 16th International Workshop on ECR Ion Sources «ECRIS'04». Berkeley, California, USA, 26−30 September, 2004. p. 112−115. [16A] V. Zorin, S. Golubev, S. Razin, A. Vodopyanov, V. Skalyga, I. Izotov, A. Sidorov, A. Bohanov. ECR ion source with quasi-gasdynamic plasma confinement regime. // Proceedings of the VI international workshop «Strong microwaves in plasmas». Russia, July 25-August 1,2005.2006. [17A] S. Golubev, A. Bokhanov, I. Izotov, S. Razin, A. Sidorov, V. Skalyga, A. Vodopyanov and V. Zorin. Multicharged ion formation in plasma of electron cyclotron resonance discharge. // Proceedings of 13th International Congress on Plasma Physics (ICPP'06), May 22−26, 2006(Kiev), D113p.
18A] S. Golubev, I. Izotov, S. Razin, A. Sidorov, V. Skalyga, A. Vodopyanov, V. Zorin, A. Bokhanov. Quasi-Gasdynamic ECR Sources of Multicharged Ions. // Proceedings of The 6th International Workshop «Microwave discharges: Fundamentals and Applications», September 11−15,2006, Zvenigorod, Russia, p. 205−210.
