Экспериментальное исследование циклотронного источника пеннинговского типа с подогревным катодом с целью повышения интенсивности пучков многозарядных ионов газов и твердых веществ тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

/

/

ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

ЛАБОРАТОРИЯ ЯДЕРНЫХ РЕАКЦИИ им. Г.Н.Флерова

Богомолов Сергей Леопольдович

На правах рукописи

Экспериментальное исследование циклотронного источника пеннинговского типа с подогревным катодом с целью повышения интенсивности пучков многозарядных ионов газов и твердых веществ.

Специальность: 01.04.20 - физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника.

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Диссертант:

/

Научный руководитель: кандидат технических наук старший научный сотрудник

В.Б.Кутнер

Дубна, 1998

Содержание.

0.1 Введение. 3

Глава I Источники многозарядных ионов. 9

1.1 Дуоплазматрон. 9

1.2 Источники многозарядных ионов Пеннинговского типа. 11

1.3 Источники ионов с мультипольным магнитным поллем. 16

1.4 Вакуумно-дуговые источники ионов. 19

1.5 Электронно-лучевые источники ионов. 22

1.6 Лазерные источники ионов. 26

1.7 Источники ионов с электронно-циклотронным резонансом. 29 Глава II Возможности увеличения интенсивности извлеченных пучков из

источника многозарядных ионов Пеннинговского типа. 32

2.1 Общие положения. 32

2.2 Эффект увеличения площади эмиссионной поверхности. 37

2.3 Анализ экспериментальных даных по пространственному распределению концентрации многозарядных ионов в столбе разряда. 41

2.4 Получение многозарядных ионов тугоплавких металлов из источника Пеннинговского типа. 45

Глава III Применение скрещенных электрического и магнитного полей в

источнике Пеннинговского типа. 47

3.1 Общие положения. 47

3.2 Циклотронный источник многозарядных ионов Пеннинговского типа

с дополнительным анодом. 49

3.3 Получение ионов твердых веществ из источника Пеннингоского типа

с дополнительным анодом. 59

3.4 Двухкамерный источник Пеннинговского типа с транспортировкой плазмы скрещенными электрическим и магнитными полями. 64

3.5 Импульсная эмиссия ионов из источника Пеннинговского типа с дополнительным анодом. 69

3.6 Селективное извлечение ионов из источника Пеннинговского типа с дополнительным анодом. 72

3.7 Формирование ионных пучков с использованием скрещенных электрического и магнитного полей. 74

Глава IV Получение пучков ионов тугоплавких металлов из источников с

мультипольным магнитным полем. 80

4.1 Общие положения. 80

4.2 Экспериментальная проверка 81 Глава V Получение пучков ионов редких обогащенных изотопов

газообразных и твердых веществ. 84

5.1 Получение ускоренных пучков ионв изотопов 34Б и 36Б на циклотроне 84 У-400.

5.2 Эксперименты по получению пучков ионов 48Са из источника Пеннинговского типа циклотрона У-400. 84 Заключение. 88 Литература. 90

0.1 ВВЕДЕНИЕ.

Большинство важнейших достижений атомной физики, ядерной физики, физики элементарных частиц неразрывно связаны с разработкой и совершенствованием методов получения потоков ускоренных частиц. За последнее время потоки ускоренных частиц стали незаменимым инструментом также для физики плазмы и исследований по управляемому термоядерному синтезу, физики твердого тела, химии, биологии, медицины, важнейших областей новой техники и технологии.

В ядерной физике широкое применение нашли ускоренные пучки тяжелых ионов. Исследования с тяжелыми ионами имеют исключительные возможности как в области изучения фундаментальных проблем, так и в решении прикладных и технологических задач. Возможности решения тех или иных фундаментальных и прикладных задач с помощью пучков тяжелых ионов определяются уровнем развития ускорительной техники.

Более 40 лет назад в Лаборатории ядерных реакций для решения проблемы получения ускоренных тяжелых ионов был выбран циклотронный метод ускорения. В 1955 году на 150 см циклотроне ИАЭ были получены пучки ионов углерода, азота и кислорода с интенсивностью до 10 частиц/сек и энергией до 6 МэВ/нуклон . Для получения многозарядных ионов был использован дуговой источник с подогревным катодом, разработанный Б.Н.Маковым, П.А.Морозовым и

М.С.Иоффе2. В дальнейшем,

при развитии ускорительной базы ЛЯР - строительстве циклотронов У-300, У-150, У-200, У-400, ИЦ-100, У-400М - за основу была принята эта конструкция источника.

В результате более чем 30-летнего совершенствования источника были найдены существенные возможности повышения интенсивности и заряда ионов (импульсный режим работы источника, использование катодов из тантала и другие) а также создания различных модификаций конструкции, позволяющих получать интенсивные пучки ионов редких изотопов таких как 48Са, 50Ti, 54Cr, 58Fe и других, используя исходное вещество непосредственно в твердой фазе3.

Источник данного типа был применен на циклотронах и имплантаторах Франции, США, Японии. На

ускорительном комплексе GSI (Darmstadt) дуговой источник с подогревным катодом продолжает использоваться для проведения экспериментов, требующих высокой интенсивности ускоренного пучка. Ведутся интенсивные работы по его усовершенствованию, чтобы обеспечить следующий этап модернизации Национального ускорительного комплекса тяжелых ионов Германии.

Однако в последние годы существенный прогресс достигнут в развитии источников многозарядных ионов, основанных на явлении нагрева электронов на частоте электронно-циклотронного резонанса (ECR).

Сравнение характеристик дугового источника с подогревным катодом (PIG) и ECR источника, а также других источников многозарядных ионов показано на Рис.0.1, где приведена диаграмма заряд-интенсивность4.

Charge state q

Рис.0.1 Интенсивность пучков ионов Хе, получаемых из источников типа PIG, дуоплазматрон (DP), лазерный (LPIS), ECR, и электронно-лучевого. (EBIS).

Видно, что в области относительно низких зарядов (отношение A/Z>10) источник PIG существенно превосходит ECR по интенсивности, хотя ECR источник несомненно имеет ряд преимуществ, таких как продолжительность непрерывной работы, временная стабильность и качество пучка.

Источники PIG и ECR дополняют друг друга. Таким образом, для решения фундаментальных и прикладных задач физики тяжелых ионов с использованием всего диапазона масс и энергий ускоренных пучков необходимо применение различных типов ионных источников. Например, для циклотронного комплекса ЛЯР - PIG, ECR; для ускорительного комплекса GSI - PIG, MEVVA, CHORDIS, ECR. Поэтому проблема

исследования и усовершенствования ионных источников типа PIG остается весьма актуальной.

Конструкция внутреннего циклотронного источника в основном определяется величиной межполюсного расстояния магнита циклотрона и геометрией центральной области. На циклотронах ЛЯР используются различные модификации ионнных источников: с горизонтальным (У-300, У-150, У-400) и вертикальным (У-200, ИЦ-100, У-400М) вводом в центр циклотрона, с различной длиной разрядной камеры (от 45 мм в циклотроне У-200 до 150 мм в циклотроне У-300). Ионный источник, разработанный для циклотрона У-4005, позволяет получать ускоренные пучки ионов газов и твердых веществ в диапазоне масс от Li до Хе. Интенсивности ускоренных пучков представлены в Таблице 0.16.

Таблица 0.1. Интенсивности выведенных пучков циклотрона У-400, полученные с источником пеннинговского типа.

7и+ 11В2+ 12C2+ 14N2+ 16Q3+ 20Ne3+ 24Mg3+ 26Mg3+ * 27a,4+

1,4 1014 2,4 1012 3,4 1013 1013 2 1013 1014 2 1012 8 1012 2 1012

31р4+ 32§4+ 34g4+ * 36g4+ * 35c,4+ 40Ar4+ 40Ar5+ 40Ar6+ 40Ca4+

8 1012 8 1012 2 1012 6,8 1012 1,2 1013 1,2 1013 4,2 1012 2 1012

48Са5+ * 48rj,j5+ 50jj5+ * 52Cr6+ 54Cr5+ * 55Mn6+ 56Fe6+ 58Fe6+ * 59Co5+

2,8 10й 3,6 1012 2 1012 2 1012 4 1012 4,9 1012 5 1012 5 1012 3,3 1012

59Со6+ 58NJ6+ 58Ni7+ 64Ni6+ * 63Cu6+ 63Cu7+ 63Cu8+ 64Zn6+ 68Zn8+ *

3,4 1012 1,4 1012 10" 1012 2,5 1012 7 10u 9 Ю10 5 1012 4,4 Ю10

84Кг7+ 84Kr8+ 90Zr8+ 90^9+ 92Zr9+ 98Mo10+ 129XeI1+ .32Xe13+

2 10й 2 1010 6 1010 7,5 109 1,1 109 1,8 109 Ю10 8,3 109

(*) - в качестве рабочих веществ использованы обогащенные изотопы.

Диссертация посвящена исследованию возможностей увеличения интенсивности пучков многозарядных ионов извлекаемых из циклотронного ионного источника. Исследования проводились на циклотронах У-400, У-200, ИЦ-100, У-400М, и на стенде ионных источников.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.

В первой главе рассмотрены основные типы источников многозарядных ионов, используемых на ускорительных комплексах тяжелых ионов: дуоплазматрон, источники пеннинговского типа (PIG), источники с мультипольным магнитным полем, вакуумно-дуговые ионные источники, электронно-лучевые источники ионов, лазерные источники ионов, и источник с электронно-циклотронным резонансом.

В источнике типа дуоплазматрон возможно получение многозарядных ионов до Хе11+. В источнике типа PIG максимальный достигнутый заряд ионов Хе равен 15, в источнике PIG с катодным распылением получены ионы Th11+ .

Ионные источники с мультипольным магнитным полем позволяют получать ионные пучки газообразных и твердых веществ с плотностью тока до 20 - 30 тА/ст2, получены ионы Хе с зарядом до 6.

Значительный прогресс достигнут в развитии вакуумно-дуговых ионных источников (МЕУУА). Источник позволяет получать интенсивные (до 10А) импульсные ионнные пучки ионов металлов с зарядом от 1 до 6. Источник используется не только для инжекции ионов в импульсные ускорители, но и для высокодозной имплантации.

Электронно-лучевой источник обеспечивает получение высокозарядных ионов, таких как Аг18+, Кг34 Хе 52 + .

В лазерном источнике получены ядра углерода, ионы 8114+, А110+ , Та11+ . Благодаря короткой (1 - 10 цб) длительности ионного импульса и высокой импульсной интенсивности (несколько сотен миллиампер) лазерный источник рассматривается в качестве инжектора для импульсных ускорителей.

В настоящее время на ускорительных комплексах тяжелых ионов наиболее часто используются источники с электронно-циклотронным резонансом. Получены следующие интенсивности ионных пучков: Аг14+ ~ 1 ОеиА, Кг17+ ~ 50ецА, Хе29+ ~ 3 ецА, РЬ36+ ~ 1 ецА, и27+ ~ 10 ецА

Вторая глава содержит описание источника ионов циклотрона У-400 и параметры пучков, полученные на стенде ионных источников. Представлены результаты экспериментов по экстракции ионных пучков с развитой эмиссионной поверхности. Проведен анализ существующих экспериментальных данных по пространственному распределению компонент плазмы в столбе разряда с точки зрения возможности развития эмиссионной поверхности. На основе результатов этого анализа и результатов предварительных экспериментов предложена и испытана на стенде конструкция источника для получения интенсивных пучков многозарядных ионов тугоплавких металлов.

Третья глава посвящена исследованию циклотронного источника ионов с дополнительным анодом. Исследовано влияние потенциала дополнительного анода на режим разряда и выход многозарядных ионов. Проведены зондовые измерения параметров плазмы разряда и потоков плазмы, образованных действием скрещенных электрического и магнитного полей.

Разработана конструкция источника многозарядных ионов твердых веществ с катодным распылением рабочего вещества и с дополнительным анодом. Исследовано влияние потенциала дополнительного анода на выход многозарядных ионов твердых веществ.

Представлены результаты экспериментов по получению и ускорению многозарядных ионов газов и твердых веществ из источника с дополнительным анодом на циклотроне У-400.

Разработана конструкция двухкамерного источника ионов с транспортировкой плазмы из камеры ионизации в камеру экстракции скрещенными электрическим и магнитным полями. Представлены результаты экспериментов по экстракции и анализу ионных пучков, извлеченных из источника. Показано, что максимум в зарядовом распределении ионов смещен в сторону более высоких зарядов при экстракции пучка из второй камеры.

Предложен метод получения коротких импульсов ионного тока из источника с дополнительным анодом. Рассмотрена возможность селективной эмиссии ионов из источника с дополнительным анодом.

Проведены эксперименты по формированию ионного пучка из внешнего источника типа PIG с помощью скрещенных электрического и магнитного полей (фильтр Вина). Показано, что при использовании обычного фильтра Вина пучок имеет смещение от оси ионопровода на выходе из фильтра. Предложен асимметричный фильтр Вина с гиперболическим распределением потенциала. Численными расчетами показана возможность формирования ионного пучка центрированного с осью ионно-оптической системы.

В четвертой главе предложен метод получения пучков ионов металлов из источников с мультипольным магнитным полем. Метод основан на использовании техники магнетронного распыления. Приведены результаты экспериментов по получению ионов А1 из источника типа CHORDIS.

В пятой главе приведены результаты экспериментов по получению на циклотроне У-400 интенсивных пучков ионов изотопов 34S4+ и 36S4+ для синтеза 108 элемента. Представлены результаты исследования источника ионов циклотрона У-400 с целью получения максимального выхода ионов Са5+ и Са6+ при минимальном расходе рабочего вещества.

В заключении сформулированы основные результаты исследований и разработок циклотронного источника многозарядных ионов.

Результаты проведенных исследований докладывались на XVII International Conference on Phenomena in Ionized Gases (Swansea, UK, 1987), the XIV Summer School and International Symposium on the Physics of Ionized gases (Saraevo, Yugoslavia, 1988), the III, IV, VI,VII International Conferences on Ion Sources (Berkeley, USA, 1989; Bensheim, Germany, 1991; Whistler, Canada, 1995; Taormina, Italy, 1997), I International Symposium on Beam Technologies (Dubna, Russia, 1995), XIII International Conference on Electromagnetic Isotope Separators (Bad Duerkheim, Germany, 1996)

ГЛАВА 1. ИСТОЧНИКИ МНОГОЗАРЯДНЫХ ИОНОВ.

1.1 ДУОПЛАЗМАТРОН.

Дуоплазматрон7 и дуопигатрон8 традиционно используются в качестве инжекторов протонов для линейных ускорителей и синхротронов. Извлекаемые токи протонов достигают нескольких сотен миллиампер в импульсе длительностью несколько сотен микросекунд.

Как источник многозарядных ионов дуоплазматрон был развит в 0819'10. Схематично дуоплазматрон, разработанный в 081 показан на Рис. 1.1.1.

сш

Рис.1.1.1 Источник многозарядных ионов дуоплазматрон.

Разряд зажигается между катодом и анодом через канал в промежуточном электроде. Между промежуточным электродом и анодом создано сильно неоднородное аксиально-симметричное магнитное поле. Благодаря действию этого магнитного поля формируется плотная анодная плазма, в которой плотность и температура электронов значительно выше, чем в катодной плазме. С помощью оптимизации распределения магнитного поля и использования большой импульсной мощности разряда (250 В; 7,5А; скважность 4) был получен ток ионов Хе11+ около 0,1 мкА.

В 081 также был разработан дуоплазматрон с катодным распылением твердых рабочих веществ11. Между анодом и промежуточным электродом вводится

дополнительный коаксиальный электрод. В стендовых испытаниях получены ионы №3+ и Тл3+ с интенсивностью около 2 мкА.

Дуопигатрон также рассматривался в качестве источника многозарядных ионов 12'13. Дуопигатрон, разработанный в 081, схематично показан на Рис. 1.1.2. Отражательный электрод размещен за анодом. Аксиально-симметричное неоднородное магнитное поле сформировано между промежуточным электродом и отражательным электродом. Быстрые электроны после прохождения анодной апертуры отражаются обратно в разряд. Этот процесс повторяется до тех пор пока электроны не покинут область ионизации в результате диффузии, либо не совершат неупругих столкновений. Таким образом стабильный разряд может поддерживаться при более низком давлении по сравнению с дуоплазматроном.

В постоянном режиме (9,5 А; 85 В) из дуопигатрона получен ток ионов Аг5+ с интенсивностью 22 мкА из эмиссионной апертуры диаметром 0,8 мм13.

Многозарядные ионы металлов также были получены из дуопигатрона14. Атомы металла вводятся в разряд при распылении вставки в отражательном электроде. Были получены ионы А13+ (0,3 мкА), П3+ (3 мкА), №3+ (1,5 мкА), Ъ^ (1,5 мкА), В13+ (34 мкА). Доля ионов металла в пучке зависит от свойств металла и достигает 20 % для Zn.

0

ч ч ч ч ч ч

'КЕ 0 —А

? (¿К

-ну,

ч/>

0

• НУ,

5

<2^

Рис. 1.1.2 Источник многозарядных ионов дуопигатрон.

1.2 ИСТОЧНИКИ МНОГОЗАРЯДНЫХ ИОНОВ ПЕННИНГОВСКОГО ТИПА.

Отражательный разряд известен с 1931 г. С 1937 г. он используется в качестве вакуумного датчика (the Penning or Philips Ionization Gauge - PIG) и как источник положительных ионов15. Схематично геометрия электродов, образующих PIG разряд показана на Рис. 1.2.1. Электроны, эмиттированные с катода, ускоряются через анод и отражаются противоположным катодом. Магнитное поле удерживает электроны от прямого попадания на анод. Следовательно, электроны совершают много осцилляций через анод. При высоком давлении (~ 10" Topp) в аноде формируется плазма и потенциал дуги в основном падает в тонком катодном слое.

CATHODE

AXIAL

MAGNETIC FIELD 11 i»

ANODE

E2ZZZ2ZZZ^Z222Z2Z3

CATHODE

г- ARC

г POWER

SUPPLY

Рис. 1.2.1 Схематичная конфигурация электродов отражательного разряда.

С тех пор источник пеннинговского типа широко использовался на электромагнитных масс-сепараторах, имплантаторах, циклотронах и линейных ускорителях.

Ионы могут извлекаться из источника либо через отверстие в одном из катодов (аксиальное извлечение) либо через щель в аноде (радиальное извлечение).

Источник может работать в режиме холодных катодов, который при больших мощностях разряда м�