Формирование интенсивного пучка многозарядных ионов из плотной плазмы, создаваемой мощным миллиметровым излучением тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

..и правах рукописи

СИДОРОВ Александр Васильевич

ФОРМИРОВАНИЕ ИНТЕНСИВНОГО ПУЧКА МНОГОЗАРЯДНЫХ ИОНОВ ИЗ ПЛОТНОЙ ПЛАЗМЫ, СОЗДАВАЕМОЙ МОЩНЫМ МИЛЛИМЕТРОВЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ

01 04 08 - физика плазмы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

ргс; ОД 2е АВГ 200В

Нижний Новгород, 2008

003445469

Работа выполнена в Институте прикладной физики Российской академии наук (г Нижний Новгород)

Научный руководитель- доктор физико-математических наук,

профессор С В Голубев

Официальные оппоненты кандидат физико-математических наук

А А Панасенков

доктор физико-математических наук, профессор Н Ф Ковалев

Ведущая организация Институт сильноточной электроники СО РАН

Дата защиты « /3» октября 2008 г в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 002 069 02 в Институте прикладной физики РАН (603950, г Нижний Новгород, ул Ульянова, 46)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной физики Российской академии наук

Автореферат разослан « июля 2008 г

Ученый секретарь диссертационного совета доктор фго.-мат. наук, профессор

Ю В Чугунов

Общая характеристика работы

Актуальность темы диссертации

Задача создания источников многозарядных ионов (МЗИ) тяжелых элементов [1-3] является одной из актуальных в настоящее время Данные источники находят широкое применение, как в науке, так и в технике Дело в том, что энергия ускоряемых ионов зависит от заряда иона и растет пропорционально заряду в линейных и пропорционально квадрату заряда в циклотронных ускорителях [4], то есть использование многозарядных ионов позволяет при тех же ускоряющих напряжениях получать существенно большие энергии ионов или, соответственно, снижать ускоряющие напряжения при сохранении энергии частиц Кроме того, например, от величины заряда иона зависит эффективность его торможения в веществе [5], что может быть важно в экспериментах по получению экстремального состояния вещества [6] и, в том числе, в исследованиях по инерциальному термоядерному синтезу (ИТС) на тяжелых ионах [7], а также в онкологии [8]

Важнейшими параметрами таких источников являются ток ионного пучка и средний заряд ионов Среди источников МЗИ необходимо отметить источники на основе разряда низкого давления, поддерживаемого в открытой магнитной ловушке электромагнитным излучением в условиях электронного циклотронного резонанса (ЭЦР) За последнее время они достигли оптимального сочетания важнейших параметров, а именно достаточно высоких величин интенсивности пучка при сравнительно высоких кратностях заряда [9, 10, 13] В первую очередь столь существенный прогресс связан с непрерывным повышением частоты и мощности СВЧ нагрева [11-13] В последние годы высокочастотное излучение современных гиротропов успешно используется в экспериментах с классическими ЭЦР источниками ионов [9, 10, 13] Для удержания плазмы в таких источниках используются открытые магнитные ловушки с конфигурацией магнитного поля «минимум В» [1], 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 5 Ю12 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 [9, 13] Однако дальнейшее повышение частоты греющего излучения в таких системах оказывается ограничено рядом проблем. Строительство ловушек с конфигура-

цией магнитного поля «минимум 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 Поэтому актуальными являются исследования возможности создания ЭЦР источников МЗИ с магнитными ловушками осесимметричной конфигурации Простейшей МГД-устойчивой ловушкой такого типа является ловушка антипробочной конфигурации (касп) [14]

Эксперименты, проведенные в ИПФ РАН с использованием мощного СВЧ излучения гиротрона на частоте 37 5 ГГц, подтвердили перспективность повышения частоты греющего излучения [13] В ходе этих исследований экспериментально наблюдался принципиально другой характер удержания плазмы в ловушке, отличный от используемого в классических современных ЭЦР источниках При достаточно высокой плотности плазмы может реализоваться так называемый квазигазодинамический режим удержания, время жизни плазмы в котором мало и не зависит от ее концентрации

Эксперименты с ловушкой антипробочной конфигурации показали, что, 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 достаточного уровня для эффективной генерации МЗИ [15] В этом случае плотность потока плазмы из ловушки через ее пробки оказывается на несколько порядков выше, чем в используемых классических ЭЦР источниках, что делает возможным получение ионных пучков с рекордно высоким током Однако задача формирование пучков ионов из плотной плазмы ЭЦР разряда представляется достаточно сложной Это обусловлено необходимостью использования высоких экстрагирующих напряжений, особенностями формирования пучка в сильном магнитном поле, существенным влиянием пространственного заряда пучка на его распространение

На основании проведенных в диссертационной работе экспериментальных исследований оптимальных способов формирования ионного пучка из плотной силыюнеравновесной плазмы ЭЦР разряда в тяжелых газах в ловушке со встречными полями показана возможность создания нового типа ЭЦР источника, использующего квазигазодинамический режим удержания плазмы - «квазигазодинамического» ЭЦР источника МЗИ Основным преимуществом такого источника является возможность получения ионных пучков с током на уровне сотен миллиампер, которые востребованы на сегодняшний день и в то же время не могут быть сформированы за счет использования классических ЭЦР источников

Особенно интересны такие источники для создания сильноточных пучков многозарядных ионов тяжелых газов для экспериментов по генерации экстремального состояния вещества [6], в исследованиях по термоядерному

синтезу на тяжелых ионах [7] Необходимо отметить перспективы использования интенсивных пучков многозарядных ионов при обработке полупроводников, например, в КНИ (кремний-на-изоляторе) - технологии [16], где используются пучки с энергией на уровне 200 кэВ, и в этом случае пучки МЗИ позволяют существенно снизить ускоряющее напряжение и упростить технологии

Основными целями диссертационной работы являются исследование процессов создания плотных потоков плазмы из магнитной ловушки в условиях реализации квазигазодинамического режима и формирование ярких и интенсивных пучков ионов, извлекаемых из плотной плазмы СВЧ разряда

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 более чем на порядок выше, чем в классических ЭЦР источниках МЗИ При этом температура электронов достигала нескольких сотен электронвольт В основной части проведенных исследований для удержания плазмы использовалась ловушка со встречными полями, которая обеспечивала стабилизацию МГД возмущений Возможность получения с помощью ловушки касп устойчивой плазмы позволила добиться высокого уровня повторяемости экспериментальных данных и разработать эффективную систему высоковольтной экстракции

Формирование пучков ионов из плотной плазмы ЭЦР разряда в тяжелых газах в таких ловушках с накачкой мощным СВЧ излучением гиротронов миллиметрового диапазона длин волн не исследовалось ранее В ходе работы был исследован квазигазодинамический режим удержания неравновесной плазмы ЭЦР разряда в тяжелых газах в ловушках со встречными полями и впервые продемонстрировано, что из этой плазмы можно формировать яркие пучки многозарядных ионов Достигнутая в ходе работы величина эмиттанс-нормализованной яркости полного пучка в 30 А/(я мм мрад)2 превышает лучшие мировые аналоги среди источников МЗИ [9, 10, 13] Была также продемонстрирована возможность формирования интенсивных пучков многозарядных ионов с токами в несколько сотен мА при умеренном нормализованном эмиттансе, не превышающем единицу п мм мрад, что среди имеющихся в мире источников МЗИ не имеет аналогов Впервые численно и экспериментально продемонстрирована возможность стабилизации ионного пучка (когда ток извлекаемого пучка не зависит от колебаний плотности плазмы на эмиссионной поверхности) при извлечении ионов из сверхплотной плазмы

Научная и практическая значимость

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 центров, эксплуатирующих ускорители тяжелых ионов Использование плотной плазмы ЭЦР разряда с квазигазодинамическим режимом удержания позволило формировать импульсы многозарядных ионов с короткими фронтами, что определяет перспективность использования источников такого типа («квазигазодинамического» ЭЦР источника МЗИ) для генерации короткоимпульсных пучков радиоактивных ионов (20-100 мкс), производство которых требуется в рамках проекта «Beta Beam» [17] При этом достаточно высокий ток пучка при малой площади эмиссионной поверхности обеспечивает существенный кпд использования газа

Демонстрация возможности формирования широких пучков многозарядных ионов с большим током делает возможным использование результатов диссертации в области технологии обработки поверхностей энергичными ионами, в экспериментах по программе термоядерного синтеза на тяжелых ионах, по получению экстремального состояния вещества в возобновляемых условиях Данные, полученные в диссертации, предполагается использовать при создании сильноточного источника ионов Аг5+ для нового ускорительного комплекса тяжелых ионов SIS-100/300 в Gesellschaft fur Schwerionenforschung (GSI, г Дармштадт, Германия) [18]

Данные диссертации могут быть использованы в работе Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie (LPSC, г Гренобль, Франция), в Объединенном институте ядерных исследований в г. Дубна, в Институте теоретической и экспериментальной физики в г Москва, в Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL, г Беркли, США), в Институте сильноточной электроники СО РАН в г Томск

Положения, выносимые на защиту

1 Высокая плотность потока плазмы из разряда в магнитных ловушках с квазигазодинамическим режимом удержания позволяет, при использовании одноапертурной системы экстракции с малым диаметром отверстия в плазменном электроде, сформировать пучки ионов с величиной яркости превышающей яркость известных источников ионов

2 ЭЦР разряд в осесимметричной магнитной ловушке в квазигазодинамическом режиме удержания позволяет получить однородные в поперечном направлении потоки плазмы и сформировать, при использовании мно-гоапертурной системы экстракции, интенсивные пучки многозарядных ионов с недостижимыми ранее характеристиками тока сотни миллиампер с нормализованным эмиттансом менее 1 я мм мрад

3 Предварительная ионизация газа, напускаемого в магнитную ловушку с напряженностью магнитного поля, обеспечивающей поперечное удержание плазмы, но меньшей значения соответствующего электронному циклотронному резонансу, позволяет получать новый тип инициированного

разряда низкого давления с «жестким» режимом возбуждения, практически стопроцентной ионизацией газа, с квазигазодинамическим режимом удержания

Публикации и апробация результатов

По теме диссертации опубликовано 7 статей в рецензируемых научных журналах, 3 докладов в трудах конференций

Результаты выполненных исследований обсуждались на научных семинарах в Институте прикладной физики РАН, Институте атомной энергии им И В Курчатова, Институте теоретической и экспериментальной физики, LPSC (Гренобль, Франция) и в других научных организациях Они докладывались на Международных и Всероссийских конференциях, в том числе на 16-м и 17-м международных совещаниях по ЭЦР источникам ионов (International Workshop on ECR Ion Sources США, 2004, Китай, 2006), на 10-й, 11-й и 12-й международных конференциях по иошгым источникам (International Conference on Ion Sources Россия, 2003, Франция, 2005, Корея, 2007), на Всероссийском семинаре по радиофизике миллиметрового и субмиллиметрового диапазона (2005, Н Новгород), на 6-м международном совещании "Strong microwaves in plasmas" (2005, Russia), на 13-м конгрессе по физике плазмы (International Congress on Plasma Physics, 2006, Киев), на 34-й международной конференции по управляемому термоядерному синтезу и физике плазмы (2007, Звенигород)

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы Общий объем диссертации составляет 154 страниц, включая 76 рисунков Список литературы содержит 67 наименований

Краткое изложение материала диссертации

Во введении обоснована актуальность выбранной темы исследований, сформулированы основные цели работы, отмечены научная новизна и практическая значимость полученных результатов, кратко изложено содержание каждой главы, приведены положения, выносимые на защиту

В главе 1 описывается экспериментальная установка и особенности функционирования основных систем, представлена применяемая в работе диагностическая аппаратура

В разделе 1.1 приводится описание экспериментального стенда SMIS 37, на котором проводились исследования ЭЦР разряда в ловушке со встречными полями и «нерезонансного» разряда с СВЧ накачкой на частоте 37 5 ГГц Представлена схема установки (см рис 1)

Рис. 1. Экспериментальная установка. 1 - гиротрон, 2 - СВЧ пучок, 3 - импульсный вакуумный клапан, 4 - вакуумная камера, 5 - катушки магнитной ловушки (на рисунке показаны некоторые силовые лини магнитного поля для конфигурации касп), 6 - кварцевое СВЧ окно, 7 - диагностическая камера, 8 - экстрактор, 9 - цилиндр Фарадея, либо на его место могла устанавливаться ионная линза, 10 - анализатор ионов.

Подробно описываются используемые гиротрон БАЛЬЗАМ-ЗС и система ввода СВЧ излучения в разрядную камеру. Гиротрон имел частоту излучения 37.5 ГГц и мощность до 130 кВт при длительности импульса до 1.5 мс. В стенде 8М15 37 реализована квазиолтическая схема ввода СВЧ излучения в магнитную ловушку вдоль оси системы.

Описана магнитная ловушка, использовавшаяся для удержания плазмы, вакуумная система стенда и система напуска нейтрального рабочего газа в ловушку. Описываются разрядные камеры, которые использовались в эксперименте. А также система предварительной ионизации напускаемого газа.

В разделе 1.2 обсуждается специально сконструированная система извлечения ионов из плотной плазмы. Она рассчитана на формирование как ярких пучков (низкая величина эмиттанса при умеренном значении тока), так и интенсивных (высокие токи при умеренном эмиттансе). В целом система экстракции построена традиционной схеме. И состоит из высоковольтного источника, экстрагирующих электродов, формирующих электрическое поле необходимой конфигурации (экстрактора) и высоковольтной изоляции. Все элементы в разделе подробно описаны, в том числе различные группы извлекающих электродов, отличающиеся диаметрами отверстий и их количеством, а также протяженностью труб ускоряющих электродов (пуллеров).

В разделе 1.3 представлено описание систем транспортировки и диагностики ионного пучка. Ток пучка регистрировался с помощью стандартных цилиндров Фарадея с защитными электродами, позволяющими избавиться от влияния на величину измеренного тока вторичных электронов.

выбиваемых пучком ионов при его попадании на цилиндр Измерение пространственного распределения пучка осуществлялось с помощью подвижного цилиндра Фарадея с малым диаметром (2 мм) Система транспортировки состояла из магнитной ионной линзы и секторного отклоняющего магнита (угол поворота 42°) В разделе приводится подробное описание их самих и особенностей их работы Также подробно описываются средства для измерения эмитганса ионного пучка и методика восстановления фазового портрета пучка по результатам этих измерений (использовался так называемый «pepper-pot» метод)

В отсутствие экстрактора для диагностики плазмы, вытекающей из ловушки, использовался одиночный ленгмюровский зонд, описанный в конце данного раздела

В главе 2 рассмотрены особенности создания плотной неравновесной плазмы в магнитных ловушках, с использованием мощного излучения миллиметрового диапазона длин волн В разделе 2.1 описан способ создания плазмы в условиях, когда максимальная величина магнитного поля в ловушке превышала значение, соответствующее электронному циклотронному резонансу Разделы 2.2 и 2.3 посвящены способу создания плазмы, когда максимальная величина магнитного поля в ловушке значительно меньше резонансной

В разделе 2.1 описаны процессы создания плотной плазмы, удерживаемой в ловушке касп в условиях квазигазодинамичсского режима и нагреваемой в условиях ЭЦ резонанса, и генерации в ней МЗИ

Обосновывается использование магнитной ловушки антипробочной конфигурации Приводится обзор предыдущих попыток использовать подобную ловушку для генерации МЗИ и объясняется их неудача

Получена уникальная сильнонеравновесная плотная плазма, поддерживаемая мощным СВЧ излучением гиротрона в магнитной ловушке со встречными полями Были измерены ее характерные параметры (концентрация на уровне 1013 см"3, температура электронов 50-100 эВ, время жизни ионов на уровне 10 мкс). В экспериментах использовались различные газы (гелий, аргон), но в основном азот

В разделе приведены результаты исследований по генерации МЗИ в плотной плазме ЭЦР разряда Представлены полученные распределения ионов по зарядовым состояниям в азоте и аргоне (см рис 2) Основным ионом в азоте был N2+, N+ был приблизительно в два раза меньше, N3+ - в 5-6 раз Основными ионами в аргоне являлись Аг3+ и Аг , средний заряд был на уровне 3 5 Осциллограммы токов ионов демонстрируют хорошую стабильность плазмы

Описана теоретическая модель на основе балансных уравнений для потока энергии и концентраций электронов с ионами, удовлетворительно описывающая результаты экспериментов по генерации МЗИ

Рис. 2. Распределение ионов азота (а) и аргона (б) по крагностям ионизации в пучке. Напряжение экстракции 40 (30) кВ. Точки - экспериментально измеренный спектр, серые столбцы - результат расчета для коэффициента поглощения СВЧ 50 %, величины токов ионов и нормированы на экспериментально измеренное значение.

Описывается метод расчета времени жизни плазмы при квазигазодинамическом режиме ее удержания для произвольной конфигурации осесим-метричной открытой магнитной ловушки. Показано, что время жизни определяется только геометрией магнитной системы, температурой электронов и сортом рабочего газа.

В разделе 2,2 приведены результаты экспериментов по созданию плотной плазмы, поддерживаемой СВЧ излучением, в магнитной ловушке с малым полем (шее«со) в условиях реализации квазигазодинамического режима удержания. Для инициации разряда на оси магнитной системы, создавалась затравочная плазма с плотностью на уровне 10шн-1012 см"3. Разряд

возникал в ловушке, если магнитное поле в пробках было более 50 мТл, порог возникновения разряда в поле одной катушки составлял 280-330 мТл при максимальной СВЧ мощности в широком диапазоне давлении газа в камере (10"4-10 2 Тор)

При этом, как показывают фотографии свечения плазмы и измерения пространственного распределения плазмы, выполненные с помощью одиночного ленгмюровского зонда, разряд был локализован около оси системы и имел небольшую ширину (порядка 1 см) Измеренная по электронной ветви вольт-амперной характеристики зонда температура электронов составляла около 20 эВ

Плотность потока плазмы через пробку ловушки превышала 2 А/см2 Ток пучка, измеренный с помощью цилиндра Фарадся, составил приблизительно 3 мА в случае, когда экстрактор располагался в 10 см от пробки (плотность тока 530 мА/см2)

Средний заряд ионов в нерезонансном поле существенно меньше, чем в резонансном, что является следствием низкой электронной температуры в отсутствие ЭЦР нагрева плазмы. Тем не менее, наличие в спектре значительного количества многозарядных ионов косвенно свидетельствует о высокой степени ионизации газа в условиях эксперимента

В разделе 2.3 приведены результаты моделирования «нерезонансного» разряда с помощью системы балансных уравнений. При этом предполагалось, что энергия электронов растет засчет омического нагрева плазмы Выделены два случая напуска нейтрального газа в ловушку с фиксированным числом тяжелых частиц, когда осуществляется круговорот газа в ловушке, и случай с постоянной скоростью напуска нейтрального газа извне Прослежена картина бифуркаций на плоскости (Ке, Те) в зависимости от интенсивности падающего СВЧ излучения Объяснена необходимость предварительной ионизации газа для инициации разряда при умеренных значениях интенсивности СВЧ излучения Не смотря на сделанные приближения, расчеты с удовлетворительной точностью соответствуют экспериментальным интервалам мощностей и скоростей напуска газа, необходимых для развития разряда, а также измеренным параметрам плазмы

Материалы, изложенные во второй главе, опубликованы в [1 А, 5А, 8А] В главе 3 описаны исследования особенностей формирования ионного пучка с высокой яркостью из плотной плазмы, создаваемой в магнитной ловушке в условиях квазигазодинамического режима удержания При этом использовались одноалертурные системы экстракции с малым диаметром отверстия в плазменном электроде «квазипирсовой» геометрии

В разделе 3.1 описаны результаты экспериментов по формированию пучка МЗИ из плотной плазмы ЭЦР разряда

Пучок извлекался из плазмы с плотностью на уровне 1013 см'3, температурой электронов 50-100 эВ, временем жизни ионов на уровне 10 мке Экстрактор перемещался вдоль оси системы, что позволяло регулировать плот-

Рис 3 Зависимость плотности тока ионов на оси системы от расстояния до пробки ловушки

ность потока плазмы на экстрактор Приведена экспериментально полученная зависимость плотности тока на плазменный электрод от расстояния до пробки магнитной ловушки Характерный диапазон величин составлял от 50 мА/см2 до 1000 мА/см2 (см рис 3)

Максимальная полученная величина тока на ЦФ для двухэлектродной системы экстракции была на уровне 5 мА при плотности тока 630 мА/см2 (диаметр отверстия в плазменном электроде составлял 1 мм)

Установка третьего электрода позволила улучшить степень компенсации заряда пучка В разделе приведена зависимость тока на ЦФ от модуля потенциала на экранирующем электроде При превышении определенного значения величиной потенциала на втором электроде наблюдается скачок тока на ЦФ, что свидетельствует об улучшении компенсации заряда пучка Максимальная достигнутая величина тока (при 1 5 мм апертуре в плазменном электроде) составила 6 5 мА Что находится на уровне лучших ЭЦР источников МЗИ с той разницей, что эмиттанс в данном случае благодаря малой апертуре существенно меньше (см раздел 3.3)

В разделе 3.2 предложен метод стабилизации ионного пучка, когда ток не зависит от колебаний плазмы, из которой пучок извлекается

Экспериментально и численно получены зависимости тока на ЦФ от плотности тока из плазмы для двухэлектродной системы экстракции Результаты численных счетов удовлетворительно совпадают с теми, что получены в эксперименте. Характерной особенностью данной зависимости является наличие плато (см рис 4) при значениях плотности потока плаз-

1цф (мА) 2

1 6

1 2

08

04

0

О 200 400 600 800 1000 1200

j (мА/см2)

Рис 4 Ток ионного пучка на выходе системы экстракции в зависимости от концентрации эмитирующей плазмы Напряжение экстракции U=40 кВ, длина пуллера L=33 см, расстояние между электродами d=5 мм, диаметр отверстия в плазменном электроде 2г0 = 1 мм

мы, существенно превышающих оптимальное Дано аналитическое объяснение наблюдаемому явлению

Подобный метод можно использовать во всех источниках ионов, способных создавать достаточно плотные потоки плазмы, так как в них даже в области плато значения тока на ЦФ будут достаточно высоки, хотя и меньше соответствующих значений при оптимальной плотности Зато в режиме плато ток на ЦФ не будет зависеть от колебаний плотности плазмы в источнике

В разделе 3.3 приводятся результаты экспериментов по измерению эмитганса пучка, извлекаемого из плотной плазмы ЭЦР разряда Приводятся оценки величины эмитганса, сделанные по величине угла расходимости пучка Приводятся результаты экспериментов по транспортировке пучка ионов с помощью магнитной ионной линзы и секторного магнита на расстояние 2 м до цилиндра Фарадея анализатора ионов Высокий коэффициент передачи (75-90%) косвенно свидетельствует о низкой величине эмит-танса Описываются эксперименты по измерению эмитганса с помощью так называемого «pepper-pot» метода Получены пучки ионов с величиной нормализованного эмиттанса 0 01 я мм мрад при токе 3 мА, что соответствует нормализованной яркости 30 А/(я мм мрад)2 По этому параметру газодинамический источник превосходит все существующие ЭЦР источники многозарядных ионов

В разделе 3.4 описываются эксперименты по формированию пучка ионов из плотной плазмы «нерезонансного» разряда Достигнутые величины токов (3 мА) и нормализованного эмиттанса (0 02 л мм мрад) свидетельствуют о высокой яркости (7 А1[тс мм мрад]2)

ж»

* % •

+♦ ■д* — ♦

♦

Материалы, изложенные в третьей главе, опубликованы в [2А-4А, 6А, 9 А, 10А]

В главе 4 представлены результаты экспериментов по формированию интенсивных пучков МЗИ с помощью многоапертурных систем

В разделе 4.1 рассматриваются особенности формирования интенсивных ионных пучков В частности, приводятся основные требования, предъявляемые к ионному источнику, выполнение которых необходимо для эффективного использования многоапертурной системы экстракции Обосновывается перспективность использования газодинамического ЭЦР источника для получения интенсивных пучков МЗИ

В разделе 4.2 представлены результаты экспериментов по изучению возможности эффективного использования в газодинамическом источнике многоапертурной системы Приведены результаты экспериментов по измерению степени однородности потока плазмы из ловушки Получено, что с точностью 10% размер области однородности в зависимости от расстояния до пробки составляет от 1 5 до 2 5 см Данной степени однородности при характерных величинах плотности тока в несколько сотен мА/см2 вполне достаточно для формирования пучков с токами в несколько сотен миллиампер

Приведены результаты экспериментов по формированию пучков с помощью экстрактора с 5 апертурами по 1 мм в диаметре каждая Даже с такой системой (с небольшой площадью эмитирующей поверхности) достигнуто существенное увеличение тока на ЦФ - 12 мА Что говорит о перспективности использования многоапертурной системы в ЭЦР источнике МЗИ с квазигазодинамическим режимом удержания

В разделе 4.3 приведены результаты экспериментов с 13 апертурной системой экстракции Показано (как экспериментально, так и числено, с помощью кода WARP-3D [19]), что в такой системе даже без наличия третьего электрода возможна существенная степень компенсации заряда пучка, благодаря наличию локальной потенциальной ямы для электронов в месте слияния элементарных пучков в один большой

Достигнут ток пучка ионов порядка 150 мА (см рис 5) при энергии 30 кэВ. Данный результат является рекордным среди ЭЦР источников многозарядных ионов

В разделе 4.4 описаны эксперименты по измерению эмитганса интенсивного пучка МЗИ Достигнута величина тока 150 мА при нормализованном эмитгансе 09 п мм мрад Заметим, что величина эмитганса уже удовлетворяет требованиям, предъявляемым крупными ускорителями тяжелых ионов к качеству пучка

В разделе 4.5 на основе полученных результатов оцениваются перспективы использования газодинамического ЭЦР источника МЗИ в рамках международного проекта FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) [18] в качестве инжектора в лилейный ускоритель для экспериментов по получе-

нию экстремального состояния вещества Требуется сильноточный (сотни мА) пучок тяжелых ионов с масс-зарядовым соотношением 8 (например, Аг5+) Единственный критерий, которому не удовлетворяет уже существующий источник, - это величина заряда (для аргона полученный средний заряд составляет 3 5, см раздел 2.2) Для повышения величины среднего заряда необходимо в ловушке касп увеличить эффективную длину (по расчетам до 54 см) что вполне реально

Материалы, изложенные в четвертой главе, опубликованы в [4А, 7 А] В заключении сформулированы основные научные результаты, полученные в диссертационной работе

Основные результаты работы

Полученные в диссертационной работе основные научные результаты заключаются в следующем

1 Исследованы особенности формирования пучков ионов из плотной плазмы разряда в магнитном поле с квазигазодинамическим режимом удержания с помощью одноапертурной двухэлектродной системы экстракции «квазипирсовой» геометрии с малым диаметром отверстия в плазменном электроде Получены пучки ионов с яркостью, существенно превышающей яркость известных источников тяжелых ионов, использующихся в ускорителях тяжелых частиц Для пучков многозарядных ионов азота, извлекаемых из плазмы ЭЦР разряда, поддерживаемой в ловушке со встречными полями, величина эмнттанс-нормализо-ванной яркости достигала 30 А/(л мм мрад)2 при эмиттансе 0 01 л мм мрад, а для однозарядных пучков азота, извлекаемых из плазмы «нерезонансного разряда» - 7 А/(л мм мрад)2 при нормализованном эмиттансе 0 02 я мм мрад

2 Исследовано поперечное распределение потока плазмы из осесиммет-ричной магнитной ловушки в режиме квазигазодинамического удержания Использование осесимметричной магнитной ловушки со встречными полями обеспечило получение однородных по поперечным координатам потоков плазмы на экстрактор, что позволило, за счет использования много апертур ной системы извлечения ионов, более чем на порядок по сравнению с существующими источниками многозарядных тяжелых ионов увеличить ток ионного пучка Получены пучки ионов с током 150 миллиампер при нормализованном эмиттансе 0 9 к мм мрад

3 Экспериментально и теоретически исследована зависимость тока ионного пучка, формируемого двухэлектродной экстрагирующей системой с протяженным пуллером, от плотности потока плазмы Обнаружено, что ионный ток источника многозарядных ионов с квазигазодинамическим режимом удержания при высокой плотности потока плазмы практически перестает зависеть от ее величины Предложен и эксперимен-

тально реализован способ подавления шумов и стабилизации ионного пучка за счет использования режима со «сверхплотной» плазмой

4 Продемонстрирована возможность повышения степени компенсации ионного пучка, сформированного двухэлектродной многоапертурной системой, за счет образования запирающего для вторичных электронов потенциала в месте слияния элементарных пучков

5 Обнаружен и исследован новый тип инициированного разряда низкого давления в магнитном поле, обеспечивающем поперечное удержание плазмы, но с величиной значительно меньше соответствующей электронному циклотронному резонансу. Показано, что предварительная ионизация напускаемого в ловушку газа позволяет получить разряд с квазигазодинамическим режимом удержания при интенсивностях СВЧ излучения гораздо более низких, чем без предварительной ионизации Построена теоретическая модель, качественно объясняющая наблюдаемые явления и характерные параметры разряда (почти стопроцентная степень ионизации, низкая температура электронов - порядка 10 эВ, необходимость предварительной ионизации)

Список цитируемой литературы

1. Getter, R Electron cyclotron resonance ion sources and ECR plasmas / R Geller - Bristol Institute of Physics, 1996 -443 c

2. Donets, E D Electron beam ion sources and their development at JINR / E D.Donets//Rev Sci Instrum 1990 V 61, № 1 P 225-229

3 Bykovsky, J A Laser-plasma ion sources/ J A Bykovsky // Rev Sci Instrum 1992 V 63, №4 P 2788.

4 Голованивский, К С Ионные источники на основе электронного циклотронного резонанса (обзор) /КС Голованивский, В Д Дугар-Жабон //Приборы и техника эксперимента 1991 №4 С 8-18

5 Hoffmann, D Н Н Present and future perspectives for high energy density physics with intense heavy ion and laser beams / D H H Hoffmann et al //LaserPart Beams V23,p 47,2005

6 Фортов, В E Интенсивные ионные пучки для генерации экстремальных состояний вещества / В Е. Фортов, Д Хоффманн, Б Ю Шарков // УФН 2008 Т 178, вып 2 С 113-138

7 Kwan, J W High current injectors for heavy ion driven mertial fusion/ J W. Kwan // Rev Sci Instrum 2000 V 71, №2 P 807-809

8 Suit, H The Gray lecture 2001 coming technical advances in radiation oncology/H. Suit//Int J Radiat Oncol Biol Phys 2002 V 53 P 798

9 Leitner, D. First Results of the Superconducting ECR Ion Source Venus with 28 GHz / D Leitner, С M Lyneis, S R Abbot et al // Proc 16th Intern Workshop on ECR Ion Sources, 26 - 30 September 2004 Melville, New York, 2005 P. 3-9

10 Zhang, Z M Experiments and modification on electron cyclotron resonance ion sources at the Institute of Modern Physics / Z M Zhang, H W Zhao, L. T Sun et al // Review of Scientific Instruments 2006 V 77, № 3, part 2 03A308

11 Geller, R ECRIS - closing remarks / R Geller // Journal de Physique ColloqueCl Suppl N1,1989 V 50 P 887-892

12 Geller R The upgrading of the multiply charged heavy-ion source Minimafios / Geller R , Jacquot В , Sortais P // Nucl Instrum Meth. Phys Res 1986 V A243 P 244-254

13 Bouly, J L High current density production of multicharged ions with ECR plasma heated by gyrotron transmitter / J L Bouly, J С Curdy, R Geller, S V Golubev et al // Rev Sci Instrum 2002 V 73, №2 P 528-530

14 Haines, M G Plasma Containment in Cusp-Shaped Magnetic Fields / M G Haines//Nuclear Fusion 1977 V 17 P 811

15 Боханов, А Ф Создание плотных потоков многозарядных ионов из ЭЦР источника на базе ловушки со встречными полями с квазигазодинамическим режимом удержания плазмы/ А Ф Боханов, В Г Зорин, И В Изотов и др //Физика плазмы 2007 Т 33, №5 С 385-394

16 Shahide, G G SOI technology for the GHz era / G G Shahide // IBM Journal of Research and Development V 46, №2/3 P 121-131

17 http //beta-beam web cern ch/beta-beam/

18 Henning, W F The future GSI facility / W F Henmng//Nucl Instrum Meth Phys Res В 2004 V 214 P 211

19 Grote, D P Nuclear Instruments New developments in WARP Progress toward end-to-end simulation /DP Grote, A Friedman, I Haber, W Fawley, and J -L Vay // Methods of Physics Researches, Sect A 1998 V 415 P 428-432

Список публикаций по теме диссертации

1А Водопьянов, А В Динамика СВЧ разряда в магнитном поле в условиях сильной предварительной ионизации газа / А В Водопьянов, С В Голубев, В Г Зорин, С В Разин, А В Сидоров, В А Скалыга, А Г Шалашов // Изв Вузов Радиофизика 2003 Т 46, № 8-9 С 822-829

2А Golubev, S V. High Current Density Ion Beam Formation from Plasma of ECR Discharge/S V Golubev, S V Razin, A V Sidorov, V A Skalyga, A

V Vodopyanov, V G Zonn//Rev Sci Instrum 2004 V 75, K«5 P 1675-1677

ЗА Sidorov, A High current density ion-beam extraction / A Sidorov, V Zorin, A Balabaev, S Kondrashev // Radiation Effects&Defects in Solids 2005

V 160, № 10-12 P. 495-497

4A Sidorov, A Ion beam formation in a gas-dynamic electron cyclotron resonance ion source / A Sidorov, I Izotov, S Razin, V Skalyga, V Zorin, A

Balabaev, S Kondrashev, A Bokhanov // Rev Sei Instrum 2006 V 77, №3 P 03A341

5A Skalyga, V Gasdynamic ECR Source of Multicharged Ions Based on a Cusp Magnetic Trap / V Skalyga, V Zorin, I Izotov, S Razin, A Sidorov, A Bohanov//Plasma Sources Science and Technology 2006 V 15 P 727-734

6A Sidorov, A Noise Suppression and Stabilization of an Ion Beam Extracted from Dense Plasma / A Sidorov, M Dorf, V Zonn, A Bokhanov, I Izotov, V. Skalyga, A Vodopyanov II Journal of Applied Physics 2007 V 102, №5 P. 054504

7A Sidorov, A Multi-aperture ion beam extraction from gas-dynamic electron cyclotron resonance source of multicharged ions / A Sidorov, M Dorf, A. Bokhanov, I Izotov, S Razin, V. Skalyga, V Zorin, A Balabaev, P Spadtke, J Roßbach//Rev Sei. Instrum 2008 V 79, №2 P 02A317

8A Водопьянов, А В Создание плотной плазмы в прямой магнитной ловушке с малым полем / А В Водопьянов, С. В Голубев, В Г Зорин, С В Разин, А В Сидоров, В А Скалыга, А Г. Шалашов // Труды конференции "Физика низкотемпературной плазмы ФНТП-2004", 28-31 июня 2004 Петрозаводск, 2004 Т 1 С 174

9А Izotov, I Formation of Ion Beam from High Density Plasma of ECR Discharge / I Izotov, S Razm, A Sidorov, V Skalyga, V Zorin, R Geller, T Lamy, P Sortais, T. Thuilher // Proceedings of the 16th International Workshop on ECR Ion Sources 'ECRIS'04', 26-30 September, 2004 Melville, New York, 2005 P 219-222

10A Golubev, S Multicharged ion formation m plasma of electron cyclotron resonance discharge / S Golubev, A Bokhanov, I Izotov, S Razm, A Sidorov, V Skalyga, A Vodopyanov and V Zorin // Proceedings of 13th International Congress on Plasma Physics 'ICPP'06', 22-26 May, 2006 Kiev, 2006 D113 p

СИДОРОВ Александр Васильевич

ФОРМИРОВАНИЕ ИНТЕНСИВНОГО ПУЧКА МНОГОЗАРЯДНЫХ ИОНОВ ИЗ ПЛОТНОЙ ПЛАЗМЫ, СОЗДАВАЕМОЙ МОЩНЫМ МИЛЛИМЕТРОВЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ

Автореферат

Подписано к печати 3 07 08 Формат 60 х 90 '/,6 Бумага офсетная № 1 Уел печ л 1,25 Тираж 100 экз Заказ № 75(2008)

Отпечатано на ризографе в типографии Института прикладной физики РАН, 603950, г Н Новгород, ул Ульянова, 46

Введение.

Глава 1. Экспериментальная установка и методы диагностики.

1.1. Описание экспериментальной установки.

1.2. Система извлечения ионов.

1.3. Системы транспортировки и диагностики ионного пучка.

Глава 2. Создание плотной плазмы в магнитных ловушках с квазигазодинамическим режимом удержания.

2.1. Экспериментальное исследование генерации многозарядных ионов в плазме ЭЦР разряда, создаваемой в ловушке со встречными полями.

2.2. Экспериментальное исследование «нерезонансного» разряда.

2.3. Численный анализ «нерезонансного» СВЧ разряда.

Глава 3. Формирование яркого пучка ионов из плотной плазмы.

3.1. Формирование пучка многозарядных ионов высокой яркости из плотной плазмы ЭЦР разряда.

3.2. Подавление шумов ионного пучка.

3.3. Эмиттанс и распространение пучка.

3.4. Формирование пучка ионов, извлекаемых из плазмы «нерезонансного» разряда.

Глава 4. Извлечение интенсивного пучка многозарядных ионов из плотной плазмы ЭЦР разряда.

4.1. Особенности извлечения интенсивных пучков ионов.

4.2. Предпосылки использования многоапертурной системы экстракции в ЭЦР источнике ионов с квазигазодинамическим режимом.

4.3. Результаты экспериментов с многоапертурной системой извлечения ионов.

4.4. Измерение эмиттанса сильноточного пучка, экстрагированного из плазмы ЭЦР разряда.

4.5. Обсуждение возможности практического использования интенсивных пучков тяжелых многозарядных ионов.

В последнее время наблюдается быстрое развитие технологий, связанных с использованием пучков ионов; например, обработка и модификация поверхностей полупроводников [1], ионно-лучевая эпитаксия [2] и имплантация [1], воздействие на раковые опухоли [3] и т.д. Широко используются интенсивные пучки частиц и в научных исследованиях, например, для дополнительного нагрева плазмы в тороидальных установках термоядерного синтеза [4], для нагрева специальных мишеней в установках инерционного термоядерного синтеза [5], для синтеза новых сверхтяжелых элементов [6], получения экстремальных состояний вещества [7] и т.д. Все это стимулирует высокую активность в исследованиях и совершенствовании источников ионов.

К настоящему времени созданы и активно используются несколько классов источников ионов, отличающихся как способом создания плазмы, так и параметрами производимых пучков. Подробное описание источников ионов различных типов и способов их применения собраны в целом ряде монографий, см., например, [8]. Одной из актуальных является задача создания источников многозарядных ионов (МЗИ) тяжелых элементов [9-11], которые находят широкое применение, как в науке, так и в технике. Дело в том, что энергия ускоряемых ионов зависит от заряда иона и растет пропорционально заряду в линейных и пропорционально квадрату заряда в циклотронных ускорителях, т.е. использование многозарядных ионов позволяет при тех же ускоряющих напряжениях получать существенно большие энергии ионов или, соответственно, снижать ускоряющие напряжения при сохранении энергии частиц. Кроме того, например, от величины заряда иона зависит эффективность его торможения в веществе, что может быть важно в экспериментах по получению экстремального состояния вещества и, в том числе, в исследованиях по инерциальному термоядерному синтезу на тяжелых ионах (ИТС), и онкологии.

Среди источников МЗИ отметим источники на основе разряда низкого давления, поддерживаемого в открытой магнитной ловушке электромагнитным излучением в условиях электронно-циклотронного резонанса (ЭЦР). ЭЦР источники выгодно отличаются от источников других типов в тех случаях, когда требуется умеренно высокий средний заряд ионов (например, 7-9 для аргона) при достаточно большом полном токе пучка (~ 1 мА). Они имеют большой ресурс работы, стабильны, позволяют легко менять рабочее вещество. Эти источники широко применяются, например, для получения интенсивных пучков МЗИ и инжекции их в циклотронные ускорители; более того, можно утверждать, что создание ЭЦР источников многозарядных ионов вдохнуло новую жизнь в циклотронные ускорители, существенно расширив возможности последних. В настоящее время более 50 источников МЗИ на основе ЭЦР уже работают в ускорительных центрах мира, а все новые циклотронные комплексы создаются в расчете на работу с источниками многозарядных ионов этого типа.

Широкое применение ЭЦР источников МЗИ требует постоянного совершенствования их работы - повышения интенсивности ионных пучков, увеличения заряда ионов, улучшения качества пучка.

Один из путей совершенствования ЭЦР источников МЗИ связан с повышением частоты и мощности СВЧ накачки. 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, так как при приближении ее концентрации к критическому значению эффективность нагрева резко падает из-за усиления рефракции излучения.

В последние несколько лет высокочастотное излучение современных гиротронов успешно используется в экспериментах с классическими ЭЦР источниками ионов [14 -16]. Для удержания плазмы в таких источниках используются открытые магнитные ловушки с конфигурацией магнитного поля «минимум В» [9], 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

11 12 3

1-10 до 5-10 см" 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 [14, 15]. Дальнейшее повышение частоты греющего излучения в таких системах оказывается ограничено рядом проблем. Создание ловушек с конфигурацией магнитного поля «минимум В», рассчитанных на частоты накачки свыше 30 ГГц, на современном этапе представляется весьма затруднительным из-за необходимости использования очень сильных полей при сложной их структуре. В результате 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.

Хорошие предпосылки для развития исследований ЭЦР разряда, поддерживаемого мощным миллиметровым излучением, в качестве источников многозарядных ионов нового поколения имеются в ИПФ РАН. Там накоплен необходимый опыт проведения экспериментальных и теоретических плазменных исследований; созданы мощные гиротроны, по уровню разработок которых ИПФ РАН занимает ведущее положение в мире. В институте давно и успешно занимаются исследованиями в области электронно-циклотроного резонансного создания и нагрева плазмы в различных магнитных ловушках.

Уже первые эксперименты, проведенные в ИПФ РАН с использованием мощного СВЧ излучения гиротрона на частоте 37.5 ГГц, [17] подтвердили перспективность повышения частоты греющего излучения. Отметим, что в ходе этих исследований экспериментально наблюдался принципиально другой характер удержания плазмы в ловушке, отличный от используемого в классических современных ЭЦР источниках. При достаточно высокой плотности плазмы может реализоваться так называемый квазигазодинамический режим удержания [18], 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 достаточного уровня для эффективной генерации МЗИ. В этом случае плотность потока плазмы из ловушки через ее пробки оказывается на несколько порядков выше, чем в используемых классических ЭЦР источниках, что делает возможным получение ионных пучков с рекордно высоким током. Однако задача формирование пучков ионов из плотной плазмы ЭЦР разряда представляется достаточно сложной. Это обусловлено необходимостью использования высоких экстрагирующих напряжений, особенностями формирования пучка в сильном магнитном поле, существенным влиянием пространственного заряда пучка на его распространение.

Таким образом, основными целями диссертационной работы являются исследование процессов создания плотных потоков плазмы из магнитной ловушки в условиях реализации квазигазодинамического режима и формирование ярких и интенсивных пучков ионов, извлекаемых из плотной плазмы СВЧ разряда.

Отметим, что использование для удержания плазмы простой осесимметричной магнитной ловушке в условиях квазигазодинамического режима обладает рядом преимуществ по сравнению с классическими ловушками. Дело в том, что используемый в классических источниках режим удержания оказывает существенное влияние на процесс формирования пучка ионов. Извлекающая система (экстрактор) располагается близко к магнитной пробке ловушки, величина магнитного поля в которой, как уже было сказано, достаточно велика. К тому же, наличие гексаполей влияет на пространственную структуру потока плазмы, делая ее неоднородной, что в экспериментах проявляется в виде характерных «звездообразных» следов, которые плазма оставляет на электроде, непосредственно с ней соприкасающемся. Это существенно снижает эмиссионную поверхность плазмы, которую можно эффективно использовать. Поэтому в классических ЭЦР источниках МЗИ, например, затруднительно использовать многоапертурные системы извлечения (даже если не принимать во внимание негативного влияния сильного магнитного поля на фазовую сформированность пучка - эмиттанс). А учитывая и не слишком высокую плотность потока плазмы в этих источниках (в лучших из них, в оптимальном для генерации МЗИ режиме, плотность тока по порядку величины не превышает 100 мА/см2), можно прийти к выводу, что максимально возможный ток ионов, который можно извлечь из таких источников ограничен. В «квазигазодинамическом» источнике всех выше указанных проблем, ограничивающих ток ионного пучка, не возникает. А именно, высокая плотность потока плазмы через пробку (до нескольких л

А/см ) позволяет располагать экстрактор за пробкой ловушки, в области разлета плазмы, где величина магнитного поля ниже. Это уменьшает эмиттанс и позволяет простым перемещением экстрактора вдоль оси системы регулировать плотность потока плазмы на экстрактор, не меняя при этом параметров плазмы (сохраняя плотность потока плазмы через пробку ловушки постоянной). Осесимметричная конфигурация магнитного поля позволяет добиться аксиальной симметрии потока на экстрактор, что делает возможным использование многоапертурных систем извлечения, а значит и получения токов пучка на уровне сотен миллиампер с хорошим качеством.

На основании проведенных в диссертационной работе экспериментальных и теоретических исследований оптимальных способов создания плотной сильнонеравновесной плазмы ЭЦР разряда в тяжелых газах в ловушке со встречными полями (простейшей ловушке, обеспечивающей стабилизацию магнитодинамических неустойчивостей плазмы [19]) показана возможность создания нового типа ЭЦР источника, использующего квазигазодинамический режим удержания плазмы -«квазигазодинамического» ЭЦР источника МЗИ. Основным преимуществом такого источника является возможность получения ионных пучков с током порядка 1 А, которые 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 осцилляций нейтрино в рамках крупного европейского проекта EURISOL [20]. Дело в том, что источник должен обеспечить генерацию мощных пучков многозарядных ионов радиоактивных изотопов гелия 6Не. В связи с сильно ограниченной возможностью производства данного изотопа источник таких ионных пучков должен быть принципиально импульсным и обеспечивать высокую эффективность использования радиоактивных частиц. Применение современных классических ЭЦР источников ионов в данном случае оказывается невозможно ввиду их низкой эффективности из-за большого времени пробоя газа и выхода плотности плазмы на стационарный уровень (более миллисекунды) по сравнению с необходимой длительностью импульса. Ионный пучок должен быть сформирован при стационарном горении разряда, когда средний заряд ионов в плазме и ток экстрагируемого пучка мало меняются. Вынос плазмы из ловушки на стадии пробоя приводит к слишком большим потерям дорогостоящих изотопов. Для уменьшения этих потерь ионов необходимо сокращение времени развития ЭЦР разряда, что может быть достигнуто при использовании импульсного газодинамического ЭЦР источника многозарядных ионов. Также потери дорогостоящих частиц при заданных параметрах системы экстракции и фиксированной концентрации плазмы существенно зависят от объема разрядной камеры источника. Это связано с тем, что в течение одного импульса экстрагируется ограниченное число частиц, которое определяется током пучка и зависит в основном от конструкции системы экстракции. Поэтому при меньшем объеме плазмы полное количество частиц в ловушке при заданной их концентрации также меньше, и значит, больший их процент извлекается в виде пучка в течение одного импульса. Таким образом, для большей эффективности ионного источника в плане утилизации частиц бНе нужно сконструировать его на базе ловушки малых размеров (длина меньше около 10 см), что также является существенным отличием от классических систем с длинами ловушек 50-100 см. Малое отверстие в плазменном электроде должно дополнительно повысить эффективность использования бНе, так как через отверстие диаметром 1 мм потери частиц между импульсами будут малы, и одни и те же частицы могут быть использованы в нескольких импульсах. При таких параметрах системы можно ожидать эффективность использования дорогих частиц до 30 %.

Другим не менее важным фундаментальное приложение, принципиально предполагающее использование интенсивных пучков тяжелых многозарядных ионов, является создание экстремального состояния вещества в воспроизводимых экспериментальных условиях (в отличие от взрыва). А в перспективе и об инерциальном управляемом термоядерном синтезе. При этом пучок используется для резкого изменения термодинамических параметров вещества мишени, на которую он сфокусирован, в результате эффективного кулоновского нагрева за счет передачи кинетической энергии пучка макроскопическим объемам вещества мишени. Генерируемые таким образом состояния представляют большой интерес для современной физики неидеалыюй плазмы и ее термоядерных и астрофизических приложений.

Тяжелые ионы передают свою кинетическую энергию веществу мишени в объеме вдоль траектории пробега частицы в процессе торможения. При этом важным достоинством пучка заряженных ионов является строгая линейная направленность трека частицы с выраженным пиком энерговыделения в конце пробега — так называемым пиком Брэгга [21]. Подобным свойством не обладает ни одно из других ионизирующих излучений.

Таким образом, интенсивные ионные пучки высокоэнергетичных тяжелых ионов обладают важным преимуществом с точки зрения возможности генерации экстремального состояния вещества в воспроизводимых экспериментальных условиях - подбором значения энергии частиц, их массы, заряда и геометрии мишени молено задавать профиль энерговыделения и обеспечивать эффективность поглощения энергии пучка до ~ 100%.

Способность тяжелых ионов нагревать вещество [22] характеризуется параметром Es - удельной вложенной энергией: где р - плотность вещества, N; — число частиц в пучке, Ro - радиус пятна фокусировки пучка на мишени, dE/(pdx) - удельные тормозные потери ионов в веществе мишени, зависящие в частности от массы и заряда ионов. Следовательно, для получения больших значений Es необходимо увеличивать ток ионов пучка и уменьшать эмиттанс; масса ионов, а также их заряд тоже важны.

Наиболее распространенные источники многозарядных ионов - так называемые классические» ЭЦР источники при всех своих достоинствах (высокий средний заряд ионов, сравнительно невысокий эмиттанс) не могут удовлетворить требованиям по току например, для достижения значений удельного энерговклада 10-400 кДжт"1 и соответствующей температуры 10-Н00 эВ при нормальной плотности и давлении более 1

10

Мбар требуется ионный импульс, содержащий 10 тяжелых ионов [23]). Традиционные сильноточные источники ионов (сотни мА), такие как, например, MEVVA, производят ионы с низким зарядом. В этой связи интересным представляется исследование возможностей использования газодинамического ЭЦР источника многозарядных ионов для получения интенсивных пучков.

Отметим и перспективы использования интенсивных пучков многозарядных ионов при обработке полупроводников, например, в КНИ (кремний-на-изоляторе) - технологии [24] где используются пучки с энергией на уровне 200 кэВ, и в этом случае пучки МЗИ позволяют существенно снизить ускоряющее напряжение и упростить технологии,

Кроме того, в диссертационной работе исследован новый тип разряда с квазигазодинамическим режимом удержания плотной плазмы — это разряд, возникающий в магнитной ловушке под действием микроволнового излучения . при величинах магнитного поля ниже резонансных, но достаточных для того, чтобы продольное время удержания было гораздо меньше поперечного. Для реализации такого разряда необходима предварительная достаточно сильная (затравочная) ионизация газа и существование нерезонансных механизмов нагрева плазмы. Такой источник ионов также способен создавать высокие плотности потоков плазмы через магнитную пробку ловушки. Правда при этом средний заряд ионов меньше ввиду снижения температуры электронов упадет по сравнению с ЭЦР разрядом. Тем не менее, описанный метод создания плазмы, благодаря возможности получения потоков ионов с высокой плотностью, может найти применение, например, в технологии обработки сложных поверхностей с мелким рельефом, которые невозможно обрабатывать с использованием традиционных источников ионизованных газов. Данный способ создания плазмы также может оказаться полезным при конструировании источников ионных пучков с высокой яркостью в тех случаях, когда нет необходимости в использовании МЗИ. Возможность поддержания разряда в низких магнитных полях позволяет создать плазмотрон с использованием постоянных магнитов, что значительно упрощает работу источника плазмы.

Объектами исследований, описанных в диссертационной работе, являлись плотная неравновесная плазма, удерживаемая в открытой осесимметричной магнитной ловушке, поддерживаемая мощным излучением миллиметрового диапазона длин волн и сильноточные пучки ионов, извлекаемые из такой плазмы

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 10 см" , что более чем на порядок выше, чем в классических ЭЦР источниках МЗИ. При этом температура электронов достигала нескольких сотен эВ. В основной части проведенных исследований для удержания плазмы использовалась ловушка со встречными полями, которая обеспечивала стабилизацию МГД возмущений, возможность получать с помощью ловушки касп устойчивую плазму позволила добиться высокого уровня повторяемости экспериментальных данных и разработать эффективную систему высоковольтной экстракции.

Формирование пучков ионов из плотной плазмы ЭЦР разряда в тяжелых газах в таких ловушках с накачкой мощным СВЧ излучением гиротронов миллиметрового диапазона длин волн не исследовалось ранее. В ходе работы был исследован квазигазодинамический режим удержания неравновесной плазмы ЭЦР разряда в тяжелых газах в ловушках со встречными полями и впервые продемонстрировано, что из этой плазмы можно формировать как яркие пучки многозарядных ионов (достигнутая в ходе работы величина нормализованной яркости полного пучка в 30 A/[7t мм мрад] превышает лучшие мировые аналоги среди источников МЗИ), так и интенсивные пучки с токами в несколько сотен мА при умеренном нормализованном эмиттансе (не превышающим единицу л мм мрад), что среди имеющихся в мире источников МЗИ не имеет аналогов. Впервые численно и экспериментально продемонстрирована возможность стабилизации ионного пучка (когда ток извлекаемого пучка не зависит от колебаний плотности плазмы на эмиссионной поверхности) при извлечении из сверхплотной плазмы.

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 центров, эксплуатирующих ускорители тяжелых ионов. Использование плотной плазмы ЭЦР разряда с квазигазодинамическим режимом удержания позволило формировать импульсы многозарядных ионов с короткими фронтами, что определяет перспективность использования источников такого типа («квазигазодинамического» ЭЦР источника МЗИ) для генерации короткоимпульсных пучков радиоактивных ионов (20-100 мкс), производство которых требуется в рамках проекта «Beta Beam». При этом достаточно высокий ток пучка при малой площади эмиссионной поверхности обеспечивает существенный к.п.д. использования газа.

Демонстрация возможности формирования широких пучков мпогозарядных ионов с большим током делает возможным использование результатов диссертации в области технологии обработки поверхностей энергичными ионами, в экспериментах по программе термоядерного синтеза на тяжелых ионах, по получению экстремального состояния вещества в возобновляемых условиях. Эти данные, полученные в диссертации, предполагается использовать при создании сильноточного источника ионов Аг5+ для нового ускорительного комплекса тяжелых ионов SIS-100/300 в GSI (Дармштадт, Германия).

Данные диссертации использовались в работе Лаборатории субатомной физики и космологии (Гренобль, Франция), GSI (Дармштадт, Германия).

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. В первой главе описывается экспериментальная установка и особенности функционирования основных систем, описана применяемая в работе диагностическая аппаратура.

Заключение.

Полученные в диссертационной работе основные научные результаты заключаются в следующем.

1. Исследованы особенности формирования пучков ионов из плотной плазмы разряда в магнитном поле с квазигазодинамическим режимом удержания с помощью одноапертурной двухэлектродной системы экстракции «квазипирсовой» геометрии с малым диаметром отверстия в плазменном электроде. Получены пучки ионов с яркостью, существенно превышающей яркость известных источников тяжелых ионов, использующихся в ускорителях тяжелых частиц. Для пучков многозарядных ионов азота, извлекаемых из плазмы ЭЦР разряда, поддерживаемой в ловушке со встречными полями, величина эмиттанс-нормализованной яркости достигала 30 А/(л мм мрад)2 при эмиттансе 0.01 л мм мрад, а для однозарядных пучков азота, л извлекаемых из плазмы «нерезонансного разряда» - 7 А/(л мм мрад) при нормализованном эмиттансе 0.02 ж мм мрад.

2. Исследовано поперечное распределение потока плазмы из осесимметричной магнитной ловушки в режиме квазигазодинамического удержания. Использование осесимметричной магнитной ловушки со встречными полями обеспечило получение однородных по поперечным координатам потоков плазмы на экстрактор, что позволило, за счет использования многоапертурной системы извлечения ионов, более чем на порядок по сравнению с существующими источниками многозарядных тяжелых ионов увеличить ток ионного пучка. Получены пучки ионов с током 150 миллиампер при нормализованном эмиттансе 0.9 л мм мрад.

3. Экспериментально и теоретически исследована зависимость тока ионного пучка, формируемого двухэлектродной экстрагирующей системой с протяженным пуллером, от плотности потока плазмы. Обнаружено, что ионный ток источника многозарядных ионов с квазигазодинамическим режимом удержания при высокой плотности потока плазмы практически перестает зависеть от ее величины. Предложен и экспериментально реализован способ подавления шумов и стабилизации ионного пучка за счет использования режима со «сверхплотной» плазмой.

4. Продемонстрирована возможность повышения степени компенсации ионного пучка, сформированного двухэлектродной многоапертурной системой, за счет образования запирающего для вторичных электронов потенциала в месте слияния элементарных пучков.

5. Обнаружен и исследован новый тип инициированного разряда низкого давления в магнитном поле, обеспечивающем поперечное удержание плазмы, но с величиной значительно меньше соответствующей электронному циклотронному резонансу. Показано, что предварительная ионизация напускаемого в ловушку газа позволяет получить разряд с квазигазодинамическим режимом удержания при интенсивностях СВЧ излучения гораздо более низких, чем без предварительной ионизации. Построена теоретическая модель, качественно объясняющая наблюдаемые явления и характерные параметры разряда (почти стопроцентная степень ионизации, низкая температура электронов - порядка 10 эВ, необходимость предварительной ионизации).

Список публикаций по теме диссертации.

1А] А.В.Водопьянов, С.В. Голубев, В.Г. Зорин, С.В. 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. [2А] 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. [ЗА] A. Sidorov, V. Zorin, A. Balabaev, S. Kondrashev. High current density ion-beam extraction.

Radiation Effects&Defects in Solids, v. 160, n. 10-12, p. 495-497, 2005. [4A] A. Sidorov, I. Izotov, S. Razin, V.Skalyga, V. Zorin, A. Balabaev, S. Kondrashev, A Bokhanov. Ion beam formation in a gas-dynamic electron cyclotron resonance ion source. Review of Scientific Instruments, v.77, n3, p. 03A341-1 - 03A341-4, 2006. [5A] 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.

6A] A. Sidorov, M. Dorf, V. Zorin, A. Bokhanov, I. Izotov, V. Skalyga, A.Vodopyanov, Noise Suppression and Stabilization of an Ion Beam Extracted from Dense Plasma, Journal of Applied Physics, Vol.102, No.5, p. 054504. [7A] A. Sidorov, M. Dorf, A. Bokhanov, I. Izotov, S. Razin, V. Skalyga, V. Zorin, A. Balabaev, P Spadtke, J. RoBbach. Multi-aperture ion beam extraction from gas-dynamic electron cyclotron resonance source of multicharged ions. Review of Scientific Instruments, 79, 02A317 (2008). [8A] 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. [9А] I.Izotov, S.Razin, A.Sidorov, V.Skalyga, V.Zorin, R.Geller, T.Lamy, P.Sortais, T. Thuillier. Formation of Ion Beam from High Density Plasma of ECR Discharge. // Proceedings of the 16th International Workshop on ECR Ion Sources 'ECRIS'04'. Berkeley, California, USA, 26-30 September, 2004. p. 219-222 (2004). [10A] 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.

1. Hirvonen J. К., Nastasi M., Hirvonen James К., Mayer James W. 1.n-solid Interactions: Fundamentals And Applications. Cambridge Univ. Pr. 1996.

2. Rabalais J. W., Al-Bayati A. H., Boyd K. J., Marton D., Kulik J., Zhang Z., and Chu W. K. Ion-energy effects in silicon ion-beam epitaxy. // Physical Review В. V. 53, p. 10781, 1996.

3. Muramatsu M., Kitagawa A., Sato S., Sato Y., Yamada S., Hattori Т., and Shibuya S. Development of the compact electron cyclotron resonance ion source for heavy-ion therapy. // Review of Scientific Instruments. V. 71, p. 984-986, 2000.

4. Габович М.Д., Плешивцев H.B., Семашко H.H. Пучки ионов и атомов для УТС и технологических целей. М.: Энергоатомиздат, 1986.

5. Kwan J.W. High current injectors for heavy ion driven inertial fusion. // Review of Scientific Instruments. V. 71, p. 807-809, 2000.

6. B.E. Фортов, Д. Хоффманн, Б.Ю. Шарков. Интенсивные ионные пучки для генерации экстремальных состояний вещества.// УФН. Т. 178, №2, с. 113-138, 2008.

7. Физика и технология источников ионов.// Под ред. Я. Брауна. М.: Мир. 1998.

8. Geller R. Electron cyclotron resonance ion sources and ECR plasmas. Institute of Physics. Bristol. 1996.

9. E. D. Donets. Electron beam ion sources and their development at JINR. // Review of Scientific Instruments. V. 61, p. 225-229, 1990.

10. J. A. Bykovsky. Laser-plasma ion sources. // Review of Scientific Instruments. V. 63, p. 2788, 1992.

11. Geller R. ECRIS closing remarks. // Journal de Physique. Colloque CI. Suppl. N1, V. 50, p. 887-892, 1989.

12. Geller R., Jacquot В., Sortais P. The upgrading of the multiply charged heavy-ion source Minimafios. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. V. A243, p. 244-254, 1986.

13. Leitner D., Lyneis C.M. Abbot S.R. et al. // Proc. 16th Intern. Workshop on ECR Ion Sources, Berkeley, California, USA, p. 3, 2004.

14. Bouly et al. // Review of Scientific Instruments, V. 73, No 2, p. 528, 2002.

15. Zhang Z.M., Zhao H.W., Sun L.T. et al. // Review of Scientific Instruments. V.77, No 3, part 2, 03A308, 2006.

16. Golubev S.V., Zorin V.G., Zorina T.N., Razin S.V. // Proc. Int. Workshop on Strong Microwaves in Plasmas. N.Novgorod. V.l, p. 485-489, 1991.

17. Golubev S.V., Zorin V.G., Razin S.V. // Proc. Int. Workshop on Strong Microwaves in Plasmas, N.Novgorod. V. 1, p. 363, 1996.

18. Haines M.G. //Nuclear Fusion, V. 17, p. 811, 1977.

19. Lau C., Cheikh M., Essabaa S., Arianer J. et al. // Review of Scientific Instruments. V.77, No 3, part 2, 03A706, 2006.

20. Bakhmetjev I E et al. Research into the advanced experimental methods for precision ion stopping range measurements in matter.// Laser Part. Beams. V. 21, p. 1, 2003.

21. Hoffmann D H H et al. Present and future perspectives for high energy density physics with intense heavy ion and laser beams. // Laser Part. Beams. V.23, p. 47, 2005.

22. Henning W. F. //Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. В. V. 214, p. 211, 2004.

23. Shahide G.G. SOI technology for the GHz era. // IBM Journal of Research and Development. V. 46, No 2/3, p. 121-131.

24. B.JI. Гинзбург. Распространение электромагнитных волн в плазме. М.: Наука, 1967, стр. 157.

25. Физика и технология источников ионов. // Под ред. Я. Брауна. М.: Мир, 1998, стр. 77.

26. Applied Charge Particle Optics.// Edited by A. Septier. New York: Academic Press, 1980, p. 214.

27. В.П. Пастухов. Классические продольные потери плазмы в открытых адиабатических ловушках. В сборнике «Вопросы теории плазмы», вып. 13. // Под ред. Б.Б Кадомцева. М.: Энергоатомиздат, 1984.

28. Golubev S.V., Zorin V.G., Razin S.V. // Proc. Int. Workshop on Strong Microwaves in Plasmas, N. Novgorod, 1996. v. 1, p. 363.

29. Golubev S.V., Razin S.V., Vodopyanov A.V., Zorin V.G. // Trans. Fusion Technol. V. 35, p. 288, 1999.

30. Golubev S.V., Zorin V.G., Zorina T.N., Razin S.V. // Proc. Int. Workshop on Strong Microwaves in Plasmas. N. Novgorod. 1991. V.l, p. 485-489.

31. Haines M.G. //Nuclear Fusion. V. 17, p. 811, 1977

32. Post R.F. // Nuclear Fusion. V. 27, p. 1579, 1987.

33. Haines M.G. // Nuclear Fusion. V. 17, p.881, 1977.

34. Белавин М.И., Жильцов В.А., Кучеряев Ю.А. // Физика плазмы, т. 16, №.8, стр. 984, 1990.

35. Sudlitz К. // J. Phys. Colloq. 50, С1-779, 1989.

36. Delaunay М. // Review of Scientific Instruments. V.61, p. 267, 1990.

37. Sudlitz K., Lagodzinski A., Choinski J. // Proc. 11th Intern. Workshop on ECR Ion Sources, Groningem, Germany, 1993, p. 145.

38. Sudlitz K. // Proc. 12th Intern. Workshop on ECR Ion Sources, Saitama, Japan, 1995, p. 217.

39. А.Ф. Боханов, В.Г. Зорин, И.В. Изотов, С.В. Разин, А.В. Сидоров, В.А. Скалыга. // Физика плазмы, т. 33, № 5, с. 385-394, 2007.

40. Lotz W. // Zeit. fur Phys., V. 216, p. 241, 1968.

41. Voronov G.S. // Atomic Data and Nuclear Data Tables, V. 65 (1), p. 1, 1997.

42. B.E. Голант, А.П. Жилинский, И.Е. Сахаров. Основы физики плазмы. М.: Атомиздат, 1977, стр. 270.

43. В.Е. Голант, А.П. Жилинский, И.Е. Сахаров. Основы физики плазмы. М.: Атомиздат, 1977, стр. 326.

44. V. Skalyga, V. Zorin, I. Izotov, S. Razin, A. Sidorov, A. Bokhanov. // Plasma Sources Science and Technology, V. 15, p. 727-734, 2006.

45. Мак-Доналд А. Сверхвысокочастотный пробой в газах. М.: Мир, 1969, стр. 206.

46. Райзер. Ю.П. Физика газового разряда. М.: Наука, 1992, стр. 19, 31.

47. Pierce J.R. Theory and Design of Electron Beams. Toronto: Van Nostrand, 1954, pp. 177, 181.

48. Физика и технология источников ионов. // Под ред. Я. Брауна. М.: Мир, 1998, стр. 42.

49. Панасенков А.А., Семашко Н.Н. // Журнал технической физики. Т. 40, стр. 2525, 1970

50. Габович М.Д., Плешивцев Н.В., Семашко Н.Н. Пучки ионов и атомов для УТС и технологических целей. М.: Энергоатомиздат, 1986, стр. 8.

51. J.R. Coupland, T.S. Green, D.P. Hammond, A.C. Reviere. // Review of Scientific Instruments. V. 44, p. 1258, 1973.

52. INP, Junkerstr. 99, 65205 Wiesbaden, Germany.

53. Незлин M.B. //Журнал технической физики. Т. 30, стр. 168, 1960.

54. Н.Н. Семашко, А.Н. Владимиров, В.В. Кузнецов, В.М. Кулыгин, А.А. Панасенков. Инжекторы быстрых атомов водорода. М.: Энергоиздат, 1981, стр. 34-39.

55. Физика и технология источников ионов. // Под ред. Я. Брауна. М.: Мир, 1998, стр. 86.

56. А.Т. Форрестер. Интенсивные ионные пучки. М.: Мир,1991, стр. 122.

57. S. Humphries, Jr., С. Burkhart, S. Coffey, G. Cooper, L. K. Len, M. Savage, and D. M. Woodall. // Journal of Applied Physics. V. 59, №6, p. 1790-1798, 1986.

58. A. Anders, R. Hollinger. // Review of Scientific Instruments. V. 73, №2, p. 732-734, 2002.

59. E. Oks, P. Spadtke, H. Emig, and В. H. Wolf. // Review of Scientific Instruments. V. 65, p. 3109-3112, 1994.

60. I. G. Brown, P. Spadtke, D. M. Ruck, and В. H. Wolf. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. V. 295, p. 12-20, 1990.

61. The Physics and Technology of Ion Sources. // Edited by I. Brown. John Wiley & Sons Inc., 2004.

62. Физика и технология источников ионов. // Под ред. Я. Брауна. М.: Мир, 1998, стр. 119.

63. W.D. Kilpatrick. //Review of Scientific Instruments. V. 28, p. 824, 1957.

64. R. Keller, P. Spadtke, and K. Hofmann. // Springer Series Electrophysics. V. 11,"p. 69, 1983.

65. D. P. Grote, A. Friedman, I. Haber, W. Fawley, and J.-L.Vay. Nuclear Instruments. New developments in WARP: Progress toward end-to-end simulation. // Methods of Physics Researches, Sect. A. V. 415, p. 428-432, 1998.