Генерация и формирование пучков тяжелых ионов металлов для ускорителей с ПОКФ тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

На правах рукописи

КУЛЕВОЙ ТИМУР ВЯЧЕСЛАВОВИЧ

ГЕНЕРАЦИЯ И ФОРМИРОВАНИЕ ПУЧКОВ ТЯЖЕЛЫХ ИОНОВ МЕТАЛЛОВ ДЛЯ УСКОРИТЕЛЕЙ С ПОКФ

01.04.20 - физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук.

Автор:

Москва 2003

Работа выполнена в ФГУП ГНЦ РФ Институт Теоретической и Экспериментальной Физики, Москва.

Защита состоится 23 июня 2003 года в 14 час. 30 мин, на заседании диссертационного совета Д212.130.01 в аудитории К-608 в Московском инженерно-физическом институте (Государственном университете) по адресу: Москва, Каширское шоссе 31, телефон 324-84-98, 323-91-67.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИФИ.

Авгореферат разослан " ¿-^£^2003 г.

Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенном печатью организации.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.130.01

Научный руководитель Кандидат физико-математических наук,

Ведущий научный сотрудник ИТЭФ Баталии В.А.

Официальные оппоненты Доктор технических наук,

Главный научный сотрудник ОЛУ ИФВЭ

Тепляков В.А.

Доктор технических наук,

Профессор МИФИ

Шиканов А.Е.

Ведущая организация Институт Ядерных Исследований

Российской Академии Наук, г.Троицк

К.Т.Н.

И.С. Щедрин

2.®оЗ--А

1. Общая характеристика работы 1.1 Актуальность темы

На современном этапе развития ядерной энергетики проявляется большой интерес к возможности использования интенсивных пучков тяжелых ионов для возбуждения процессов управляемого термоядерного синтеза с инерционным удержанием плазмы [1]. Идеи построения установок, базирующихся на драйверах (ускорительных комплексах) с гигантской импульсной мощностью, были выдвинуты в середине семидесятых годов прошлого столетия и с тех пор данному вопросу уделяется самое пристальное внимание Регулярно проходят специализированные международные конференции, последняя из которых состоялась в 2002 году в Москве в ИТЭФ, что явилось признанием огромного вклада в развитие данного направления исследований в этом научном центре. Работы по развитию инерционного тяжелоионного синтеза (ИТИС) ведутся в ведущих ускорительных центрах мира, таких как С51 (Германия), ИШЬ и А№ (США). В ИТЭФ успешно ведется программа по созданию Тера Ваттного Накопителя (ТВН) для проведения исследований по взаимодействию ионного пучка с плазменной мишенью [2]

Основные трудности при построения драйвера для ИТИС в первую очередь связаны с необходимостью создания сильноточных ионных источников, а также с ограниченной пропускной способностью ускоряющих секций на начальном этапе, когда скорость ионного пучка невелика Во многом, трудности, связанные с низкой пропускной способностью ускоряющих секций на начальном этапе, удалось решить с открытием принципа пространственно-однородной квадрупольной фокусировки (ПОКФ) [3].

Для проведения экспериментальных работ по изучению вопросов, связанных с ускорением сильноточных пучков тяжелых ионов на начальном этапе, в ИТЭФ был разработан, сконструирован и запущен тяжелоионный прототип начальной части драйвера для ИТИС - линейный ускоритель с ПОКФ ТИПр-1, работающий на частоте 6,19 МГц [4]. Данная установка была рассчитана на ускорение ионов с удельной массой 60 - 65а е м. с начальной энергии 0,945 кэВ/нуклон до энергии 36 6 кэВ/нуклон. Успешный запуск ускорителя был произведен в 1986 году на ионах генерируемых ионным источником типа дуоплазматрон, после чего встал вопрос создания источника, способного генерировать сильноточные пучки тяжелых ионов вплоть до урана. При этом необходимо было не-только .разработать конструкцию

такого источника, но и провести исследование его параметров на предмет использования на инжекторе ускорителя ТИПр-1.

1.2 Цель диссертации

Диссертация посвящена созданию источника тяжелых ионов металлов для линейного ускорителя (ЛУ) с пространственно-однородной фокусирующей структурой ТИПр-1 (Тяжелоионный прототип), исследованию одновременного ускорения в данном ЛУ ионов с различным удельным зарядом, разработке методов повышения зарядового состояния ионов пучка, генерируемого вакуумно-дуговым источником ионов металлов и имела следующие главные цели.

1. Создание вакуумно-дугового источника ионов металлов (ВДИИМ), обеспечивающего генерацию ионов металлов с удельной массой близкой к 60 а.е.м. и изучение зарядового распределения ионов в генерируемой плазме. Формирование пучка ионов с длительностью импульса от 1 микросекунды до 1 миллисекунды и током в импульсе не менее 10 мА при нормализованном эмиттансе не хуже 2 мм-мрад для инжекции в ЛУ с ПОКФ ТИПр-1.

2. Ускорение данного пучка в ускорителе с пространственно-однородной квадрупольной фокусирующей структурой ТИПр-1 и изучение вопросов динамики пучка, связанных с одновременным ускорением частиц с различным удельным зарядом

3. Разработка методов увеличения зарядового состояния генерируемого ВДИИМ ионного пучка без потери его интенсивности.

1.3 Научная новизна отражена в следующих тезисах:

Разработанный ионный источник позволил обеспечить генерацию и формирование пучка ионов металлов с удельным весом около 60 а.е м. с током более 10 мА и их последующее ускорение в линейном ускорителе с пространственно-однородной квадрупольной фокусирующей структурой ТИПр-1.

Впервые в мире проведены экспериментальные работы по исследованию возможности одновременного ускорения ионов с различной удельной массой в структуре с ПОКФ ускорителя ТИПр-1.

На основании аналитического исследования коллективного взаимодействия плазмы вакуумно-дугового разряда с инжектированным в нее электронным пучком, имеющего место в источнике е-МЕУУА, найдены условия стабильной работы данного источника.

Получено повышение зарадносги ионов свинца, генерируемых вакуумно-дуговым разрядом в результате инжекции в него электронного пучка.

Предложен способ повышения зарядового состояния ионов, генерируемых вакуумно-дуговым разрядом, за счет ступенчатого разряда в аксиальном магнитом поле с большим продольным градиентом. На его основе разработана и исследована конструкция источника, позволившая повысить зарядовое состояние ионов пучка. Получен пучок ионов урана с доминирующей составляющей Ц6* и а также заметной долей ионов и8+, вместо и3+ и Ц4*. Следует подчеркнуть, что на источниках данного типа максимально полученная зарядносгь ионов урана не превышала Ц6+.

1.4 Практическая ценность

Разработанный источник является штатным источником ускорителя ТИПр-1, тяжелоионного прототипа для исследований управляемого тяжелоионного термоядерного синтеза. С использованием данного источника удалось обеспечить ускорение пучков Си+, Та3+, W3+, Мо2+, и4" до 36.6 кэВ/нуклон. После замены ускоряющей структуры данного ускорителя, проведенной для обеспечения ускорения ионов с удельной массой около 60 а е.м до 110 кэВ/нуклон, на пучке ионов меди Си24 , генерируемых разработанным ионным источником, произведен физический пуск и получен расчетный ток 11 мА при 90% захвате ионов в режим ускорения. Разработанный источник также обеспечивал работу многоканального ускорителя с фазопеременной фокусировкой, на котором были проведены исследовательские работы по производству ядерных мембран [13] На базе данного источника разработаны оригинальные конструкции вакуумно-дуговых источников с внешним электронным пучком, а также со ступенчатым разрядом в аксиальном магнитном поле с большим продольным градиентом, что позволило увеличить зарядовые состояния генерируемых вакуумно-дуговым разрядом ионов без потери интенсивности формируемого ионного пучка Создан источник, работающий с частотой повторений импульсов 25 Гц при длительности импульса до 1 миллисекунды

1.5 К защите представляются:

1. оригинальная конструкция вакуумно-дугового источника ионов металлов для ЛУ с ПОКФ ТИПр-1 (тяжелоионного прототипа драйвера ИТИС), обеспечивающего генерацию пучка ионов металлов с удельной массой близкой к 60 а.е.м. с длительностью импульса от 1 микросекунды до 1 миллисекунды, током ионного пучка более 10 мА

2. результаты изучения параметров генерируемого данным источником ионного пучка, а именно, зарядовое распределение ионов пучка, изменение данного распределения во времени, а также результаты измерения эмиттанса пучка,

3. результаты исследования зарядового спектра ионного пучка, генерируемого ВДИИМ при работе с составным катодом, изготовленного из материалов с большой разницей в температурах плавления и оценка на основании экспериментальных данных скорости движения катодного пятна по поверхности более тугоплавкого материала,

4. результаты экспериментального исследования ускорения в ЛУ с ПОКФ ионов с различным удельным зарядом,

5. оригинальная конструкция и результаты исследование ВДИИМ с двумя анодами и аксиальным магнитным полем с большим градиентом вдоль оси на предмет повышения зарядности генерируемого пучка.

6. результаты аналитического исследования возможности возникновения электростатических колебаний в плазме вакуумно-дугового источника е-MEWA при инжекции в него электронного пучка, призванного обеспечить генерацию ионов с более высокими зарядовыми состояниями по сравнению с ионами, производимыми вакуумно-дутовым разрядом.

1.6 Апробация работы и публикации

Основные результаты и выводы, включенные в диссертацию, многократно докладывались и обсуждались на Всероссийских и международных научных конференциях и семинарах по ионным источникам и ускорителям заряженных частиц и тяжелоионного инерционного синтеза, в том числе лично автором на XII Всесоюзном совещании по ускорителям заряженных частиц (ИТЭФ, октябрь 1990г), научных семинарах отдела ЛУ ИТЭФ, Национальной Лаборатории Леньяро (INFN Италия 1993г), Лаборатории GSI (Германия 1995г), Институте Сильноточной Электроники (Томск 2000г), NATO-sponsored advanced Research Workshop Emerging Applications of Vaccum-Arc-Produced Plasma, Ion and Electron Beams (Байкал, июнь 2002г).

Список публикаций по теме диссертации приведен в конце автореферата и насчитывает 11 печатных трудов.

1.7 Структура и объем работы:

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Общий объем диссертации составляет 124 страницы, в том числе 46 рисунков и библиография, включающая 93 наименования.

2. Краткое содержание диссертации.

Для тяжелоионного линейного ускорителя ИТЭФ ТИПр-1 (ТяжелоИонный Прототип) была создана конструкция вакуумно-дугового источника ионов металлов (ВДИИМ) (Рис. 1), в котором цилиндрический катод (1) вставляется в керамический изолятор (2) с аксиальным коническим отверстием, к торцу которого плотно прижимался кольцевой поджигающий электрод (3). Катод, изолятор и поджигающий электрод вместе составляют так называемый катодный блок Катод крепился на штоке катододержателя (5) и с помощью пружины (6) прижимался к поверхности изолятора. Электрический контакт между подвижным катодом и фланцем, к которому подводится электрический сигнал от блока питания, обеспечивался жгутом (7), расположенном внутри пружины. Данная конструкция позволила обеспечить сохранение первоначальной геометрии зазора между катодом и поджигающим электродом по мере выгорания катода во время работы источника. На данном источнике проведены исследования влияния геометрии разрядного промежутка на устойчивость вакуумно-дугового разряда и зарядовое распределения ионов извлекаемого из источника пучка. В результате проведенных исследований была разработана новая версия источника

Фотография данного источника, являющегося штатным источником на ускорителе ТИПр-1 показана на Рис. 2. В данном варианте была полностью сохранена хорошо зарекомендовавшая себя конструкция катодного блока Изменения коснулись конструкции катододержателя. В новой конструкции катод устанавливается в цангу на фланце, приваренном к сильфону. Такая конструкция позволяет использовать разницу между атмосферным давлением окружающей среды и давлением в источнике для прижима катода к поверхности изолятора, по поверхности которого происходит инициирующий разряд

Система формирования пучка разрабатывалась под формирование пучка ионов большого диаметра с малым углом расходимости, что требовалось для согласования ионного пучка с аксептансом ускоряющей структуры На входе в ускоряющую структуру пучок должен иметь следующие параметры - радиус 30,89 мм и угол сходимости - 70,15 мрад. Данная система позволяет сформировать на выходе с инжектора как короткий, длительностью 1-5 мкс, так и длинный (150 мкс) ионный пучок. Формирование короткого пучка необходимо для проведения измерений зарядового распределения генерируемого пучка и динамики его изменения за длительность пучка с использованием времяпролеггного метода. Кроме того, при ускорении короткого пучка факт достижения расчетной энергии на выходе ускоряющей структуры можно установить, измеряя время пролета пучком данной структуры. Моделирование системы формирования пучка, при задании начальных параметров, соответствующих параметрам плазмы вакуумно-дугового разряда, проведено с использованием расчетного пакета KOBRA-3D. Измерения эмитганса пучка, генерируемого ВДИИМ, проводились на выходе инжектора и показали, что нормализованный эмиттанс не превышает 1 мм-мрад для 90 % пучка (см. Рис. 3).

1 - катод, 2 - изолятор, 3 - поджигающий электрод, 4 - анод, 5 - держатель катода, 6 - пружина, 7 - жгут электроконтакта

Рис. 2 Фотография штатного ВДИИМ для ускорителя ТИПр-1.

- Си'

те- ...... С."

>

се 1 \

50-

49 ■

20

!•• / > / 1

9-

2« 4Й «О 1« 1«« 12« 140 1» Время, икс

Рис. 3 Эмиттаис пучка ионов урана,

измеренный с использованием ПЗС Рис. 4 Типичное изменение зарядового матрицы распределение в пучке ионов меди за время

горения дугового разряда Для измерений зарядового спектра ионного пучка использовался время пролетный

метод. Проведено исследование динамики изменения зарядового распределения по

длительности импульса тока пучка для ионов меди, свинца, молибдена, вольфрама и

урана. Результаты измерений для ионов меди приведены на Рис. 4. Как видно из

приведенного графика, импульс тока пучка можно разделить на три части. Начало

пучка, первые 15-20 мкс, в спектре наблюдается смещение в сторону больших

зарядностей. Эта область соответствует моменту развития разряда,

характеризующегося повышенным падением напряжения и, как следствие, более

высокой энергией электронов в плазме. Затем идет основная часть пучка,

соответствующая установившемуся режиму горения вакуумно-дугового разряда, когда

зарядовое распределение остается практически неизменным И, наконец, задний фронт

пучка, соответствующий обрыву тока разряда, где наблюдается смещение спектра в

сторону более низких зарядовых состояний. При работе с катодами, имеющими осевое

отверстие, не обнаружено каких либо изменений ни в параметрах разряда, ни в

параметрах извлекаемого пучка по сравнению со сплошными катодами. Данный факт

был успешно использован в разработке источников с внешним электронным пучком

(е-МЕУУА).

При работе ВДИИМ с составным катодом проведена оценка скорости движения катодного пятна Составным катод называется из-за того, что в рабочей поверхности катода из тугоплавкого материала высверливаются углубления, в которые вплавляется легкоплавкий металл. Для проведения исследований был изготовлен составной катод из молибдена, на рабочей поверхности которого (торце цилиндра диаметром 5 мм) было высверлено 6 отверстий диаметром 1 мм - одно по центру и пять на радиусе

о

к

1,5 мм, в которые был вплавлен свинец. Проведено исследование как изменяется зарядовый состав пучка, генерируемого ВДИИМ с составным катодом, за время горения дуги В начальный момент генерируемый пучок содержит только ионы молибдена. Первые ионы свинца появляются в генерируемом пучка через 15 мкс с момента инициирования разряда. При этом в зарядовом распределении пучка присутствуют ионы как молибдена, так и свинца. Начиная с 25 мкс от начала горения разряда, пучок состоит только из ионов свинца. На основании полученных данных можно утверждать, что скорость движения катодного пятна составит не менее 20 м/с. Согласно [7] такая скорость соответствует катодному пятну на шероховатой поверхности для так называемого (О)-режима, характеризующегося температурой порядка 3-4-1000° К и плотностью тока порядка 105 А/см2.

Проведенные исследования свойств ионного пучка, генерируемого сконструированным в ИТЭФ ВДИИМ, показали, что данный источник может быть использован на инжекторе тяжелоинного ускорителя с ПОКФ ТИПр-1. Работы по ускорению в ТИПр-1 ионных пучков, генерируемых ВДИИМ, проводились с "короткими" пучками В этом случае факт захвата ионов в режим ускорения и достижение расчетного уровня энергии на выходе ТИПр-1 определяется путем измерения разницы между временем, затрачиваемым частицей на пролет сквозь структуру в режиме ускорения, и временем дрейфа этой же частицы сквозь структуру в отсутствии ускоряющего поля. Использование "короткого" пучка позволило провести работы по исследованию одновременного ускорения в структуре с ПОКФ пучков с различным значением удельной массы. Компьютерное моделирование данного процесса проводилось с использованием разработанной в ИТЭФ программы ОТОАМКЖ [8].

Первые работы по ускорению ионных пучков, генерируемых ВДИИМ, в ускорителе ТИПр-1 проводились на ионах меди. Интерес представлял тот факт, что помимо ионов Си+ с удельной массой 64 а.е м. пучок содержит значительную часть ионов с более низкими удельными массами (Си2+, Си3+ с удельными массами 32 и 21,3 а е.м. соответственно), которые также могут быть ускорены до расчетной энергии 36.6 кэВ/нуклон при соответствующем выборе уровня ВЧ поля. Экспериментальные значения для временных интервалов между пиками ускоренных ионов и ионов, продрейфовавших в отсутствии ВЧ поля, получены в результате обработки осциллограмм сигнала с цилиндра Фарадея, полученных при последовательном повышении уровня ВЧ поля (См. Рис. 5.)

Зависимость тока ускоренных ионов от уровня ВЧ поля определяется величиной области устойчивости пучка в структуре как по продольному, так и по поперечному движению. Захват ионов в режим ускорения происходит после того как уровень ВЧ поля превысит пороговое значение Дальнейшее увеличение уровня ВЧ поля с точки зрения продольного движения сопровождается увеличением значения равновесной фазы, что означает увеличение размаха сепаратрисы ускоряющего канала как по фазе, так и по разбросу импульса, т е. увеличение тока пучка ускоренных ионов Однако по достижению некоторого критического напряжения на электродах, определяемого формулой (1), происходит потеря устойчивости пучка по поперечному движению.

-2 Ат„ гк2 _лТ 2У?

тт Я

и, <—« 2

ге

4с а

(1)

гдеАшо- масса иона, 7е - заряд иона, А. - длина волны ускоряющего поля,

= 0 кВ

ивч = 45 кВ

ивч = 56 кВ

ивч = 67 кВ

ивч = 79 кВ

ивч -101 кВ

оч = 112 кВ !ивч = 123 кВ

Рис. 5 Осциллограммы тока пучка ионов меди с цилиндра Фарадея на выходе ускорителя ТИПр-1 при различных уровнях ВЧ напряжения на электродах ускоряющей структуры (пучок ионов меди)

* «, 4

...........- о."

с • 1 1 1 * Эшкршяг Расчет

■'А/ 'V

ч/\ л

" ■ х •■

Напряжение на исктродах, кВ. напряжении на электродах ускоряющей

структуры - 160 кВ. Верхний луч - ток

пучка на выходе инжектора (1/10 А/В), Рис. 6. Зависимость тока ускоренных пучков нижний _ на выходе ускорителя

ионов меди различной зарядности от величинь(токоприемник с к = 50 0м)

уровня ВЧ поля.

а - радиус ее апертуры, у5 - скорость синхронной частицы, с - скорость света, % -эффективность фокусировки, Т - эффективность ускорения.

На Рис. 6 приведены экспериментально полученные зависимости амплитуды тока пучка ионов меди различной зарядности от уровня ВЧ поля На этом же рисунке приведены результаты численного моделирования ускорения частиц в ТИПр-1, проведенного с использованием программы ОШАМКЖ Как видно из приведенных результатов, получено хорошее совпадение экспериментальных результатов с данными численного моделирования. Экспериментально полученные данные продемонстрировали возможность одновременного ускорения ионов с различными значениями удельной массы.

Необходимо подчеркнуть, что проведенные исследования явились первыми в мировой практике экспериментальными работами по демонстрации и изучению возможности одновременного ускорения ионов с различными удельными массами. На сегодняшний день идея такого одновременного ускорения находит все большее применение. Так она используется в проектах установок для инерционного термоядерного синтеза [10], а также для повышения интенсивности тяжелоинного пучка на ускорителе в АЛЬ (США) [11] Помимо пучков ионов меди, на ТИПр-1 были проведены работы по ускорению ионных пучков таких веществ, как тантал (Та3*, Та4+, Та5+), свинец (РЬ3+) и уран (Ц4*).

Результаты исследования параметров ионных пучков, генерируемых ВДИИМ, описанном выше в данной работе, а также опыт по ускорению данных пучков в структуре с ПОКФ легли в основу расчета и конструирования новой структуры с

ПОКФ для ТИПр-1. Данная структура работающая на частоте 27,7 МГц повысила энергию ускоренного пучка с 36.6 кэВ/н до 110 кэВ/н при увеличении начальной скорости с Ро = 0,00142 до Ро = 0,00217. Физический запуск ускорителя ТИПр-1 с данной структурой проведен на пучке ионов Cuí+ [12] Достигнут расчетный ток ускоренного пучка данных ионов 11 мА при захвате в режим ускорения не менее 90 % пучка На рис. Рис. 7 показан измеренный ток ускоренного пучка ионов Си2+.

Тяжелоионные пучки с наиболее высокими зарядовыми состояниями ионов генерируются в электронно-лучевых ионных источниках (EBIS - electron beam ion source) Достижение требуемого зарядового состояния в данном источнике происходит за счет ступенчатой ионизации при взаимодействии ионов, удерживаемых в ловушке, с ускоренным пучком электронов [5]. Однако существенным недостатком данного источника является малая величина тока пучка, обусловленного физическими особенностями данного источника Количество ионов, которое может быть извлечено из источника не может превышать число быстрых электронов в ловушке

В ИТЭФ, с целью повышения зарядового состояния генерируемого ВДИИМ ионного пучка, было предложено инжектировать электронный пучок от независимой электронной пушки не в ловушку ионов, а плазму вакуумно-дугового разряда. При этом автоматически обходится ограничение по извлекаемому из источника количеству ионов в силу компенсации их объемного заряда электронами плазмы. Источник, созданный для исследования данной идеи, получил название e-MEWA Схема источника представлена на Рис 8.

Для увеличения времени взаимодействия ионов плазмы с электронным пучком, в источнике e-MEWA плазма разряда выводится в канал дрейфа длиной 0,7м с аксиальным магнитным полем. Через отверстия в катоде и аноде вакуумно-дугового разряда соосно с магнитным полем в канал дрейфа плазмы вводится внешний электронный пучок. В ходе экспериментальных работ ускоряющее напряжение для данного электронного пучка регулировалось в диапазоне от 1 до 20 кВ. Сеточный вытягивающий электрод системы формирования ионного пучка всегда имел более высокий отрицательный потенциал относительно катода вакуумно-дугового разряда источника по сравнению с потенциалом, подаваемым на электронную пушку. За счет этого достигалось запирание электронного пучка в канале дрейфа плазмы

I, "" л, ___**" ___л

Рис. 8. Схема источника e-MEWA. 1 - электронная пушка; 2 - диафрагма; 3 - катодный фланец МЕУУА; 4 - соленоид для электронного пучка; 5 - катодный шток; 6 -поджигающий электрод; 7 - анод МЕУУА; 8 - канал дрейфа; 9 - соленоид канала дрейфа; 10 - экспандер; 11 -сетка вытягивающего электрода

Характерной особенностью формы импульса тока ионного пучка, генерируемого данным источником, является наличие провала, появляющегося в момент инжекции в плазму электронного пучка (см Рис 9) Измерения тока разряда в цепи питания вакуумно-дугового генератора плазмы показали, что срыва разряда в момент инжекции электронного пучка не происходит. Было высказано предположение, что данный провал может быть обусловлен возникновением неустойчивости плазмы, вызванной коллективным взаимодействием плазмы с инжектированным в нее электронным пучком и возникновением в следствии этого так называемых электростатических колебаний. Плотность электронного пучка, инжектируемого в канал дрейфа плазмы, не превосходила пь = 1016 м"3, что определялось используемой электронной пушкой с плазменным катодом и системой формирования и транспортировки электронного пучка к области взаимодействия с плазмой вакуумно-дугового разряда Плотность плазмы в вакуумно-дуговом разряде достигает величины 10м м'3. У плазмы, вышедшей в канал дрейфа, плотность заметно ниже и достигает величин порядка 1018 м"3. При

Рис. 9. Типичная осциллограмма пучка ионов с источника типа е-МЕУУА при работе с электронным пучком. 1„- время инициирования разряда, 1эп - время инжекции электронного пучка.

я

таком соотношении плотностей электронов в плазме и пучке следует, что в канале дрейфа система электрически нейтральна и достигается компенсация тока

электронного пучка. Последнее выполняется, если \Ь1<,—\Т, где \ т- тепловая

"ь

скорость электронов плазмы, Vьг - продольная скорость электронов пучка, пе и щ -соответственно плотность электронов плазмы и электронного пучка. Для характерных параметров плазмы и электронного пучка в источнике е-МЕУУА данное условие заведомо выполняется.

Для данной конструкции источника исследовано дисперсионное уравнение возникающих электростатических колебаний. Для аксиально-симметричной моды данных колебаний получены уравнения, описывающие условие возникновения нестабильности (см. 10 из списка основных публикаций по теме диссертации). Для случая, когда пучок заполняет всю камеру дрейфа, данное условие можно записать в следующем виде:

иь<—-—яс2в;

ь 11.52т. с с

1+1

п.

(2)

а для случая, когда радиус пучка меньше радиуса камеры дрейфа, условие возникновения нестабильности имеет вид

\1/эУ

е

иь о

ьт.

1+

(2а)

Здесь е и те - заряд и масса электрона, и ^ - соответственно радиус электронного пучка и радиус камеры, Во - магнитное поле вдоль оси источника, пь -плотность электронов пучка, а ц. - плотность электронов плазмы, иь - ускоряющее электронный пучок напряжение.

Подставив радиус канала дрейфа (0,018 м), величину магнитного поля (0,02 Тл) и плотности электронов пучка (10" м"3) и плазмы в канале дрейфа (1018 м'3), характерных для источника е-МЕУУА, получаем, что, когда электронный пучок полностью заполняет канал дрейфа, условия для возникновения нестабильности возникают при ускоряющем электроны напряжении менее 3,5 кВ. Для случая, когда радиус пучка меньше радиуса канала дрейфа плазмы, выражение, стоящее в правой части неравенства (2а) принимает максимальное значение, когда логарифм равен '/г. Для данного радиуса пучка нестабильность возникает при ускоряющем электроны напряжении порядка 1кВ.

Уменьшение плотности плазмы или накопление электронов в канале дрейфа плазмы приводит к росту величины порогового значения напряжения, ускоряющего электронный пучок, ниже которого возникают условия для электростатической неустойчивости системы плазма-пучок Приведенные выше значения ускоряющего электронный пучок напряжения являются нижней границей для возникновения такой нестабильности. Получен инкремент развития неустойчивости для параметров системы пе=пг1018 м"3 и пь=101й м"3, для узкого пучка с радиусом 1см и ускоряющего напряжения 1,2 кВ он равен 5,4-107 с"1. Для электронного пучка, заполняющего всю камеру дрейфа, при Пе=П1=1018 м"3 и пь=1016 м"3 при ускоряющем электронный пучок напряжении 3,5 кУ, данный инкремент равен 3,4-107 с"1.

Проведенный анализ позволил сделать вывод, что для избежания возникновения данного типа нестабильности необходимо обеспечить стабильное напряжения ускорения электронного пучка выше критического значения Успешные работы по демонстрации увеличения зарядового состояния ионов пучка свинца, генерируемых источником типа е-МЕУУА при инжекции в него электронного пучка от независимой электронной пушки, были проведены при величине ускоряющего электроны напряжения 16-21 кВ и стабильности данного напряжения не хуже 4%. При этом использовался модифицированный источник, в котором катод вакуумно-дугового разряда одновременно выполнял функции ускоряющего электроны электрода для электронной пушки. Ток электронного пучка, инжектируемого в область вакуумно-дугового разряда достигал величины 25 - 40 А. Электронная пушка для данного источника была разработана в Томском Институте Сильноточной Электроники

В ходе работ с источником типа е-МЕУУА была экспериментально обнаружена возможность повышения как среднего, так и максимального заряда генерируемых ионов без использования электронного пучка. Данное повышение зарядового состояния генерируемых ионов пучка происходит за счет использования ступенчатого развития разряда (с использованием двух последовательно расположенных анодов) и создания магнитного поля с большим градиентом вдоль оси источника. Данная конфигурация ВДИИМ получила название МЕУУА-М Конструкция источника и схема электропитания данного источника показаны на Рис. 10. Инициирование разряда происходит, как и в традиционном источнике, в результате пробоя по поверхности керамического изолятора 2 между катодом 1 и поджигающим электродом 3. Образовавшаяся плазма заполняет сначала промежуток катод - анод-1 (4), в результате чего инициируется разряд между этими электродами. Дальнейшее распространение

Рис. 10. Электрическая схема ВДИИМ со ступенчатым развитием разряда 1 - катод, 2 - изолятор, 3 - поджигающий электрод, 4 - анод1, 5 - анод2, 6 - магнитная катушка СеМ, 7 - магнитная катушка СКД, 8 -вытягивающий электрод, 9 - фокусирующий электрод, 10 - ускоряющий электрод, 11 - магнитный массанализатор

плазмы вдоль оси источника приводит к развитию разряда (с током I^) на анод-2 (5). Данный анод представляет собой трубу переменного сечения. Регулировка тока разряда 1а2 в данной цепи осуществляется за счет изменения величины накопительной емкости С и напряжения на ней. Плазма разряда дрейфует внутри анода-2, в направлении к системе формирования ионного пучка. Для удержания плазмы во время дрейфа, источник снабжен двумя импульсными магнитными катушками, обеспечивающими аксиальное магнитное поле в источнике. Магнитная катушка, в дальнейшем называемая СеМ (Соленоид e-MEVVA поз.б), обеспечивает аксиальное магнитное поле Вк на оси источника в области катода. Данное магнитное поле можно регулировать в диапазоне от 0 до 0,3 Тл. Магнитная катушка СКД (Соленоид Канала Дрейфа), поз.7, обеспечивает аксиальное магнитное поле В^ = 1Тл на оси источника внутри анода-2. Измерения зарядового спектра ионного пучка проводились магнитным масс анализатором. Данные измерения показали, что при создании распределения аксиального магнитного поля с большим продольным градиентом в области второго анода наблюдается увеличение зарядового состояния ионов (см. Таблицу 1). Такое распределение достигалось за счет выключения соленоида СеМ.

Для различных распределений магнитного поля проведено измерение разрядных токов в цепи катод - анод-2. По измеренным значениям тока и напряжения на емкости построены графики мощности выделяемой в цепь разряда (Рис. 11) при различных конфигурациях магнитного поля Получено, что при распределении магнитного поля с

Таблица 1. Максимальное и доминирующее зарядовое состояние ионов пучка урана, генерируемого источником МЕУУА-М, при различных токах разряда в цепи анод2 -катод и различном распределении магнитного поля.

1л2 Соленоид СеМ включен Соленоид СеМ выключен

Максимальное зарядовое состояние Доминирующее зарядовое состояние Максимальное зарядовое состояние Доминирующее зарядовое состояние

54 А 5 3 5 3

350 А 5 3 6 4

800 А 5 4 8 5

2,5 кА 8 6 & 7

большим градиентом, значение выделяемой мощности заметно выше. Это неизбежно ведет к генерации ионов с более высокими зарядовыми состояниями. Увеличение тока разряда 1,2 ведет к тому, что в пучке доминирующей составляющей становятся ионы с зарядовым состоянием и** и и7+. Результат измерений для тока =2,5 кА представлен на Рис. 12. В спектре отчетливо идентифицируются пики ионов урана с зарядностью от и3+ до и8+. Кроме того, спектр содержит пики соответствующих перезарядок ионов пучка.

Интересно отметить наличие двух максимумов в распределении ионов урана по зарядовым состояниям. Первый приходится на ионы а второй на ионы Ц4+. Для исследования причин появления в спектре ионов урана двух максимумов и устранения влияния нестабильности параметров ВДИИМ на измеряемые зарядовые распределения, проведены измерения с усреднением по десяти измеренным сигналам на каждый шаг изменения магнитного поля и фиксацией амплитуды измеряемого

Рис. 11. Мощность, выделяемая в разряд, при различном распределении магнитного поля 1 - только СКД включена, 2 - обе катушки включены.

ийлййаиппаи

Рис. 12 Спектр пучка ионов урана при токе 1=2,5 кА. Соленоид СеМ -выключен

30 25 Ч 20

г "

н

1«

Рис. 13. Зарядовое распределение пучка ионов урана, измеренное с усреднением по нескольким импульсам на каждый шаг магнитного поля. Выборка по максимальным значениям для двух частей пучка.

сигнала в трех различающихся во времени интервалах импульса тока пучка. При измерениях регистрировались максимумы амплитуды сигнала для трех временных диапазонов - первые 50 мкс от момента поджига разряда, вторые 50 мкс и конец пучка Время поджига разряда было выбрано в качестве отправной точки в силу его строгой определенности. Первый результат, следующий из проведенных измерений, - ионы урана появляются в пучке через 50 мкс после подачи импульса напряжения на поджигающий электрод Плазме разряда требуется время, чтобы достичь системы формирования пучка, продрейфовав в трубе анода-2. Скорость дрейфа плазмы имеет величины порядка единиц сантиметров за микросекунду [6] При этом передний фронт импульса тока пучка содержит в основном ионы остаточного газа. Проведенные измерения позволили сделать вывод о динамике изменения зарядового распределения в пучке за время импульса тока и объяснить наличие двух максимумов в измеренном зарядовом распределении ионов. Ближе к началу пучка максимум распределения приходится на пики ионов Ц6+ и и7+. К концу импульса разряда зарядовое распределение принимает вид, близкий к распределению, характерному для работы ВДИИМ с сильноточным вакуумно-дуговым разрядом. На Рнс. 13 представлен спектр, полученный при условии, что для каждого значения магнитного поля выбиралось максимальное значение тока из двух областей. Легко видеть, что построенный график повторяет распределение, полученное в результате полномасштабных измерений. Аналогичное увеличение зарядового состояния ионов пучка было достигнуто при работе со свинцовым катодом, где удалось получить ионы РЬ6\

3. Основные результаты работы

Основные результаты диссертационной работы могут быть сформулировав»' следующим образом:

1. Разработана оригинальная конструкция вакуумно-дугового источника ионов металлов для генерации и формирования пучка ионов с удельной массой около 60 а.е м, длительностью до 1 мс, током не менее 10 мА при нормализованном эмиттансе не хуже 2 мм-мрад Данный источник является на текущий момент штатным источником тяжелоионного ЛУ с ПОКФ ТИПр-1

2. Предложена конструкция составного катода, позволяющего получать пучки, состоящие из ионов различных металлов с их временным разделением. С использованием данного катода проведена экспериментальная оценка скорости движения катодного пятна по поверхности молибденового катода, которая составила 20 м/с.

3. Получено ускорение до 36.6 кэВ/нуклон ионов, генерируемых разработанным ВДИИМ, в ЛУ с ПОКФ ТИПр-1. Получен ускоренный пучок ионов урана четвертой зарядности с током 7 мА.

4. Впервые в мире экспериментально показана и изучена возможность ускорения в ЛУ с ПОКФ ионов с различной удельной массой.

5. На пучке ионов меди, генерируемых разработанным ВДИИМ, произведен физический запуск новой ускоряющей структуры с ПОКФ для ЛУ ТИПр-1 и получены расчетные параметры ускоренного пучка.

6. Предложен способ повышения зарядового состояния ионов, генерируемых вакуумно-дуговым разрядом, за счет ступенчатого разряда в аксиальном магнитом поле с большим продольным градиентом и на его основе разработана и исследована конструкция источника, позволившая повысить зарядовое состояние ионов пучка. Получен пучок ионов урана общим током 50 мА с содержанием ионоб и7+ более 20%, что является на сегодняшний день лучшим показателем для источников на основе вакуумно-дугового разряда.

7. Для ионного источника е-МЕУУА, идея которого предложена в ИТЭФ, аналитически исследованы электростатические колебания, возникающие при инжекции электронного пучка в плазму вакуумно-дугового разряда. Получены условия стабильной работы источника данного типа Полученные результаты позволили усовершенствовать работу данного источника. Впервые в мире экспериментально достигнуто повышение зарядности ионов свинца, генерируемых вакуумно-дуговым разрядом, в результате инжекции электронного пучка в плазму разряда.

4.Список основных публикаций по теме диссертации.

1. "Источник тяжелых малозарядных ионов с вакуумной дугой". Баталии В.А, Васильев А А., Волков Ю.Н. Кулевой Т В.. Петренко С.В Вопросы атомной науки и техники, Серия: Ядерно-физические исследования (теория и эксперимент). 1989, Вып 5(5), с 98-100.

2 Баталин В. А., Волков Ю Н. Кулевой Т В . Петренко С.В., "Составной катод для вакуумно-дугового источника ионов металлов", Приборы и техника эксперимента, 1992г, No 6, сгр 191-194.

3. Batalin V, Volkov Y., Kulevov T . Petrenko S. "Vacuum Arc Ion Source for the ITEP RFQ Accelerator", Rev.Sci.Inst. 65(10), Oct 1994, p.3104 - 3108,

4. Batalin V., Volkov Y., Kuievoy Т.. Petrenko S. "The E-MEWA Ion Source for High Charged Uranium Ions Generation". Proceedings of LINAC-94, Tuskiba, Japan, 21-26 Aug 1994 P 390-392

5. Batalin V., Volkov Y., Kuievoy T. Petrenko S. Report on ITEP MEVVA Development. Proc. Workshop on Vacuum Arc Ion Sources, Berkeley, USA (19%). pp 37-39

6. Batalin V A., Volkov Yu N., Kuievoy T V. Petrenko S.V., The Acceleration of different Specific Charge Ions in the Heavy Ion RFQ, Proc XVIII Int. Linac Conf LINAC - 96, Geneva, 1996, pp 719-721.

7. Андреев В.А., Венгров P.M., Звягинцев В.Л, Кашинский Д А , Коломиец А.А., Кулевой Т.В.. Куйбида Р.П, Кузьмичев В.Г., Лякин Д А, Минаев С.А., Першин В.И., Шарков Б Ю., Ярамышев С Г., Линейный ускоритель тяжелых многозарядных ионов ИТЭФ с пространственно-однородной квадрупольной фокусировкой. В сб. Докладов XVII Совещание по ускорителям заряженных частиц, ГНЦ РФ ИФВЭ, Протвино, 17-20 октября 2000 года, Т.1, стр. 327-332

8. Batalin V.A., Bugaev A.S., Gushenets V.A., Hershcovitch A., Jonson BM., Kolomiets A A, Kuibeda RP., Kulevov Т. V. Oks E.M., Pershin V.I., Petrenko S.V., Seleznev D.N., Yushkov G.Yu., Electron-beam enhancement of the metal vapor vacuum arc ion source. Journal of Applied Physics, V.92, N.5, 1 September 2002, pp 2884-2889.

9. Batalin V.A., Bugaev A.S., Gushenets V.I., Hershcovitch A., Johnson B.M, Kolomiets A.A., Kuibeda R.P , Kulevov T V. Oks E.M., Pershin V.I., Petrenko S.V., Seleznev D.N.

and Yushkov G.Yu., Further development of the E-MEWA ion source, Review of Scientific Instruments, 2002, V 73, N 2, February, pp. 702-705

10. Кулевой T В "Электростатические колебания в канале дрейфа ВДИИМ", Препринт 1-01 ИТЭФ, Москва, 2001г.

11. Кулевой Т В . Куйбида Р.П, Петренко С.В., Селезнев Д.Н., Першин В.И., Баталин В.А., Коломиец А.А Повышение зарядности пучка ионов урана в источнике вакуумно-дугового типа (MEWA), ПТЭ, 2002, №3, с 5-9

5. Список цитируемой литература

[1] Дюдерштадт Д, Мозес Г. Инерционный термоядерный синтез, Москва, Энергоиздат, 1984г.

[2] Sharkov B.Yu. Heavy ion fusion energy program in Russia, NIM in Ph R. A 646 (2001) pp 1-5

[3] Владимирский В В., Капчинский И М., Тепляков В.А. Линейный ускоритель ионов. Авторское свидетельство СССР №¡265312 Бюлл. ОИПТЗ, 1970, №10, с.75.

[4] Артемов B.C. и др. Ускоритель тяжелых малозарядных ионов с пространственно-однородной квадрупольной фокусировкой на частоте 6 МГц. Вопросы Атомной Науки и Техники Серия: Техника Физического Эксперимента, вып. 3(34), 1987, сгр. 5-7.

[5] Донец Е Д Авторское свидетельство СССР №. 248860 (от 16 марта 1967), Бюлл. ОИПТЗ №23, 65 (1969)

[6] Andres A and Yushkov G.Yu., Ion flux from vacuum arc cathode spots in the absence and presence of a magnetic field, Jornal of Applied Physics, V. 91, No. 8, 2002 pp. 4824-4832.

[7] Вакуумные дуги, Под редакцией Дж. Лафферти, Москва, Мир, 1982

[8] Kolomiets A. at al, DYNAMION - The Code for Beam Dynamics Simulation in High Current Ion Linac. EPAC-98, Stockholm, Sweden, 1201-1203.

[9] Капчинский И.М, Теория линейных резонансных ускорителей, Москва, Энергоиздат, 1982г.

[10] Parisi G., Sauer A, Deitinghoff Н, Klein Н. "Parameter study for a high current heavy ion linac", Proceedings of the XIX International LINAC Conference, Chicago, Illinois, USA, August 23 28, 1998, pp.79-81

[11]. Ostroumov P.N and Shepard K.W. Multiple-charge beam dynamics in an ion linac, Physival Review Special Topics - Accelerators and Beams, V3, 000000 (2000), pp. 0000001 - 000000-10.

[12] Ярамышев С.Г. Разработка интенсивных линейных ускорителей ионов, диссертация на соискание ученной степени кандидата физико-математических наук, МГУ, Москва, 2002.

[13] Kushin V.V., Kulevoj Т., Nesterov N.. Oreshnikov A., Plotnikov S, Seleznev D., Zubovskiy V. Details of the initial part of the Tungsten ion linac for particle track membrane production. Bulletin of the American physical society. May 1995,Vol.40,No3, pl099.

i

г

I-

V

2.оо з - А * -95 9 9^

1

(

I

Подписано в печать 15.05.2003 г. Формат 60 х 90/16. Объем 1.0 пл. Тираж 100 экз. Заказ № 16

Оттиражировано в ООО «САТУРН мтк» 111020, Москва, Авиамоторная ул., 11

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Вакуумно-дуговой источник ионов металлов для линейного ускорителя ТИПр-1.

1.1 Конструкция источника.

1.2 Система формирования пучка.

1.3 Измерения зарядового распределения ионов пучка, генерируемого ВДИИМ.

1.4 ВДИИМ с составным катодом.

Глава 2. Ускорение в ЛУ с ПОКФ ионного пучка, генерируемого ВДИИМ.

2.1. Достижение расчетной энергии в ускоряющей структуре.

2.2 Максимальный ускоренный ток.

2.3. Ускорение ионов меди на ТИПр-1 с новой ускоряющей структурой.

ГЛАВА 3. Электростатические колебания.

3.1. Условия возникновения неустойчивости.

3.2. Инкремент нарастания колебаний.

3.3. Выводы и заключение.

Глава 4. ВДИИМ с двумя анодами и пространственно неоднородным магнитным полем.

4.1. Конструкция источника.

4.2. Измеренные зарядовые распределения пучка ионов урана, генерируемого ВДИИМ с двумя анодами.

4.2.1 Влияние магнитного поля на зарядовое распределение пучка ионов урана.

4.2.2 Измерения магнитного поля вдоль оси источника и тока разряда в цепи анод-2 - катод.

4.2.3 Спектр пучка ионов урана с током разряда I& =2,5 кА,

4.2.4 Работа со свинцовым катодом.

На современном этапе развития ядерной энергетики проявляется большой интерес к возможности использования интенсивных пучков тяжелых ионов для возбуждения процессов управляемого термоядерного синтеза с инерционным удержанием плазмы [ 1]. Идеи построения установок, базирующихся на драйверах (ускорительных комплексах) с гигантской импульсной мощностью, были выдвинуты в середине семидесятых годов прошлого столетия и с тех пор данному вопросу уделяется самое пристальное внимание. Регулярно проходят специализированные международные конференции, последняя из которых состоялась в 2002 году в Москве в ИТЭФ, что явилось признанием огромного вклада в развитие данного направления исследований в этом научном центре. Работы по развитию инерционного тяжелоионного синтеза (ИТИС) ведутся в ведущих ускорительных центрах мира, таких как GSI (Германия), LBNL и ANL (США). В ИТЭФ успешно ведется программа по созданию Тера Ваттного Накопителя (ТВН) для проведения исследований по взаимодействию ионного пучка с плазменной мишенью [ 2]

Основные трудности при построения драйвера для ИТИС в первую очередь связаны с необходимостью создания сильноточных ионных источников, а также с ограниченной пропускной способностью ускоряющих секций на начальном этапе, когда скорость ионного пучка невелика. Во многом, трудности, связанные с низкой пропускной способностью ускоряющих секций на начальном этапе, удалось решить с открытием принципа пространственно-однородной квадрупольной фокусировки (ПОКФ) [3].

Для проведения экспериментальных работ по изучению вопросов, связанных с ускорением сильноточных пучков тяжелых ионов на начальном этапе, в ИТЭФ был разработан, сконструирован и запущен тяжелоионный прототип начальной части драйвера для ИТИС — линейный ускоритель с ПОКФ ТИПр-1, работающий на частоте 6,19 [ 4]. Данная установка была рассчитана на ускорение ионов с удельной массой 60 - 65а.е.м. с начальной энергии 0,945 кэВ/нуклон до энергии 36.6 кэВ/нуклон. Успешный запуск L ускорителя был произведен в 1986 году на ионах Хе , генерируемых ионным источником типа дуоплазматрон, после чего встал вопрос создания источника, способного генерировать сильноточные пучки тяжелых ионов вплоть до урана. При этом необходимо было не только разработать конструкцию такого источника, но и провести исследование его параметров на предмет использования на инжекторе ускорителя ТИПр-1.

Диссертация посвящена созданию источника тяжелых ионов металлов для линейного ускорителя (ЛУ) с пространственно-однородной фокусирующей структурой ТИПр-1 (Тяжелоионный прототип), исследованию одновременного ускорения в данном ЛУ ионов с различным удельным зарядом, разработке методов повышения зарядового состояния ионов пучка, генерируемого вакуумно-дуговым источником ионов металлов и имела следующие главные цели:

1. Создание вакуумно-дугового источника ионов металлов (ВДИИМ), обеспечивающего генерацию ионов металлов с удельной массой близкой к 60 а.е.м. и изучение зарядового распределения ионов в генерируемой плазме. Формирование пучка ионов с длительностью импульса от 1 микросекунды до 1 миллисекунды и током в импульсе не менее 10 мА при нормализованном эмиттансе не хуже 2 мм-мрад для инжекции в ЛУ с ПОКФ ТИПр-1.

2. Ускорение данного пучка в ускорителе с пространственно-однородной квадрупольной фокусирующей структурой ТИПр-1 и изучение вопросов динамики пучка, связанных с одновременным ускорением частиц с различным удельным зарядом

3. Разработка методов увеличения зарядового состояния генерируемого ВДИИМ ионного пучка без потери его интенсивности.

Для того чтобы обосновать выбор вакуумно-дугового источника ионов металлов для ускорителя ТИПр-1 рассмотрим подробнее требования предъявляемые к ионному источнику для ускорителя-драйвера установки на основе ИТИС и проведем сравнительный анализ известных на сегодняшний день источников тяжелых ионов.

Инерционный тяжелоионный термоядерный синтез

Идеи построения энергетических установок на основе ИТИС были выдвинуты в середине семидесятых годов прошлого столетия и с тех пор данному вопросу уделяется самое пристальное внимание. Данное направление управляемого термоядерного синтеза имеет ряд преимуществ, базирующихся на особенностях взаимодействия тяжелоионного пучка с веществом оболочки мишени. Во-первых это высокая тормозная способность тяжелых ионов в веществе, т.е. высокое удельное энерговыделение на единице длины пробега. Во-вторых, большая энергия отдельного иона, что позволяет использовать в ИТИС пучки с относительно малыми токами. В-третьих, высокий КПД драйвера (ускорительного комплекса) ИТИС, который дает возможность снизить требования к коэффициенту усиления энергии до 20 - 100 [ 1]. Кроме того, надо отметить классический механизм поглощения энергии быстрых ионов в веществе, не сопровождающийся генерацией быстрых электронов в плазме, высокую частоту посыла ускоренных ионных пучков на мишень (-10 Гц) и огромный опыт успешной эксплуатации крупномасштабных ускорительных комплексов. Для осуществления ИТИС необходимо построение ускорительно-накопительного комплекса (драйвера), обеспечивающего выделение ~10 МДж энергии за время ~10 не на термоядерной мишени. При этом тяжелые ионы с атомной массой А > 200 а.е.м надо ускорить до энергии >20 ГэВ и накопить в количестве ~ 3*1015 частиц [ 1].

По мере развития работ по ИТИС возникают вопросы, связанные с физикой взаимодействия тяжелых ионов с веществом, плазмой и отдельными ядрами [ 5]. Исследование данных вопросов требует создание макета ускорительного комплекса для получения тяжелых ионов в широком диапазоне масс и энергий и проведение соответствующих физических исследований. Кроме того, программа исследований по ИТИС включает изучение динамики пучка на различных этапах ускорения, накопления и транспортировки в камеру реактора, компрессии пучка и др. Решение комплекса этих проблем обусловило необходимость создания макетной установки.

К середине восьмидесятых годов были разработаны проекты установок для ИТИС «от источника до реактора». Так в США развивается направление, базирующиеся на многоканальных линейных индукционных ускорителях (ЛИУ), где одновременно с ускорением происходит сжатие пучка до требуемой для вывода на мишень длительности [ 6]. В Европе и Японии предпочтение было отдано направлению, базирующемуся на развиваемой и уже осваиваемой технологии на основе линейных резонансных ускорителей (ЛРУ) с дальнейшим накоплением пучка в накопительном кольце. Такое рассмотрение проводится в России, странах Европы (GSI, Германия; RAL, Англия) и Японии (ШВЫС, INS) [ 7], [ 8], [ 9].

В варианте, развиваемом в США, продольная компрессия пучка, осуществляемая в ЛИУ при ускорении, позволяет рассчитывать на получение с каждого канала выходного тока в несколько килоампер при энергии 10 ГэВ. Схема с ЛИУ является однопроходной схемой, где один длинный пучок с большим током одновременно и ускоряется и сжимается. Кпд ионного ЛИУ может достигать 15 - 20 %, но темп ускорения не превысит 1 МэВ/м, так что размеры драйвера не будут меньше, чем в случае резонансного ЛРУ. По сравнению с концепцией драйвера на базе ЛРУ, данная схема является идеологически более простой. Однако, несмотря на то, что в масштабах, требуемых для драйвера ИТИС есть опыт построения машин для ускорения релятивистских электронов, движущихся с постоянной скоростью на всей длительности ускорителя, для ускорения ионов индукционный ускоритель является новым словом и пока что жизнеспособность данного подхода была продемонстрирована только лишь на моделях малых размеров.

Ускорительный комплекс - драйвер на основе ЛРУ состоит из трех ключевых элементов: самого линейного резонансного ускорителя, нескольких накопительных колец и устройства для заключительной компрессии пучка и проводки его на мишень. Как уже отмечалось выше, преимущество такого подхода состоит в том, что он базируется на уже существующей технологии. Так еще в семидесятых годах в ЦЕРН на ускорителе ISR был получен пучок протонов с энергией 50 ГэВ и током 30 - 40 А. По этой причине, многие научные центры, изучающие проблему ИТИС, в качестве драйвера рассматривают драйвер на базе ЛРУ.

Трудность ускорения сильноточных пучков тяжелых ионов в первую очередь определяется малой интенсивностью ионных источников, причем эта проблема стоит для обоих принципиальных концепций ускорителя-драйвера для ИТИС, а также ограниченной пропускной способностью ускоряющих секций на начальном этапе, когда скорость ионного пучка невелика. Во многом, трудности, связанные с низкой пропускной способностью ускоряющих секций на начальном этапе, удалось решить с открытием принципа пространственно-однородной квадрупольной фокусировки (ПОКФ) [ 3], и предложением многоканальной структуры начальной части со снижающимся по мере увеличения энергии частиц числом каналов. Эта структура напоминает ветви дерева, постепенно сходящиеся в единый ствол, причем каждое слияние (funneling) сопровождается повышением в 2 или большее число раз рабочей частоты, что позволяет заполнить свободные сепаратрисы. Предложенная в ИТЭФ блок схема начальной части драйвера для ИТИС представлена на Рис. 1. При таком последовательном сложение сгустков в продольном фазовом пространстве средний ток пучка возрастает без увеличения эмиттанса и пикового тока пучка.

Один из современных вариантов схемы ускорителя-драйвера для энергетической установки ИТИС имеет следующий вид (Рис. 2 [ 10]) — однозарядные ионы трех элементов с различием атомных масс в пределах 10% ускоряются в одном и том же линейном ускорителе до одинакового импульса, накапливаются и группируются в серию отдельных сгустков в сети накопительных колец (по 4 на каждое из атомных веществ). После экстракции сгустки (банчи) синхронизируются в линиях задержки (на каждое кольцо по одному комплекту таких линий), после чего направляются в индукционный группирователь для окончательного сжатия. На этой стадии каждый банч

ПОКФ I ПОКФ II X = 48 м X = 24 м Видерое

10 МэВ 50 МэВ 600 МэВ 2.5 ГэВ 20ГэВ

32 мА 64 мА 128 мА 256 мА 512 мА

Рис. 1 Предложенная в ИТЭФ блок схема драйвера для ИТИС направляется на свою отдельную траекторию и предполагается, что 36 параллельных пучков идут через общее ярмо индукционного группирователя. В последнем канале транспортировки к мишени банчи всех трех веществ сливаются воедино. Банчи различных веществ с одинаковыми импульсами могут быть выстроены в продольном фазовом пространстве в конечном канале транспортировки пучка (телескопирование пучка), что сокращает число каналов и конечной оптики на количество различных веществ. Так на мишень будет идти 48 линий, что на 3 меньше, чем при использовании ионов одного вещества. В качестве развития данных технологий, с целью сокращения каналов от накопительных колец до мишени предлагается использовать интенсивный лазерный луч для обдирки ионов. Эффективность линейного ускорителя оценивается в 30 %, всего драйвера в 20 % при частоте повторений 50 Гц. При частоте 10 - 20 Гц эффективность падает до 15 %.

Результатом исследований по ИТИС за последние четверть века стало провозглашение программ по подготовке и проведению экспериментов на

Рис. 2 Блок-схема драйвера ИТИС по проекту HIDIF.

Таблица 1 Основные требования к параметрам ионного пучка в ускорительных комплексах-драйверах ИТИС в различных программах.

ЛИУ HIDIF

Макет Энергоустановка

Энергия в импульсе, МДж 6,3 3 4,5

Энергия частиц, ГэВ 4 10 10

Тип частиц Hg+(A=200) ВГ (А=209) Bi+ (А=209)

Пиковая мощность в импульсе, ТВатт 524 750 1100

Длина импульса, не. 8 6(20) 6(20)

Частота повторений на реакторе, Гц 10 10

Число пучковых каналов на выходе драйвера 48 48 72

Чистый заряд пучка, мкКулон 1700 480 690

Конечный эмиттанс (ненорм.) <2x10° м-р 3x10'5 м-р 3x10"э м-р полномасштабном макете энергетической установки. В Европе большие надежды связаны с развитием ускорительного комплекса в GSI, в который войдут два новых синхротрона SIS 100/200, накопительное кольцо ESR и сеть экспериментальных стендов. Ввод данного комплекса позволит повысить температуры плазменной мишени с 10 эВ до 50 эВ [ 11]. В США сформулирована программа Inertial Fusion Energy (IFE), направленная на создание демонстрационной энергетической установки. В таблице 1 представлены основные параметры данных макетных установок, а также параметры энергоустановки, которые необходимо достигнуть [12].

В России в ИТЭФ успешно ведется программа по созданию Тера Ваттного Накопителя (ТВН) для проведения исследований по взаимодействию ионного пучка с плазменной мишенью [ 2].

Как говорилось выше, для проведения экспериментальных работ по изучению вопросов, связанных с ускорением сильноточных пучков тяжелых ионов на начальном этапе, в ИТЭФ был разработан, сконструирован и запущен тяжелоионный прототип начальной стадии драйвера для ИТИС - линейный ускоритель с ПОКФ ТИПр-1 [ 13], [ 4], [ 14].

На момент запуска ускорителя ТИПр-1 и начала разработки источника пучка ионов металлов для данного ускорителя, для генерации ионных пучков большой интенсивности использовались хорошо зарекомендовавшие себя при работе с газообразным рабочим веществом такие ионные источники, как дуоплазматрон, дуопигатрон и источник с периферийным магнитным полем (мультикасп). На них в различных лабораториях были получены пучки ионов с токами в десятки мА. Основной проблемой данных источников является тот факт, что все элементы, представляющие интерес для ИТИС (А > 200 а.е.м., такие как свинец, висмут и уран), в нормальных условиях находятся в твердом состоянии. Таким образом для данных источников необходимо иметь систему перевода рабочего вещества в газообразное состояние, что заметно усложняет конструкцию источника, повышает его энергоемкость, не говоря о трудностях с поддержанием постоянного рабочего давления в разрядной камере.

Развитие физики и техники ионных источников привело к тому, что на сегодняшний день в ускорительных лабораториях, работающих с пучками тяжелых ионов, наибольшее распространение получили следующие типы ионных источников - электронно-лучевой источник (EBIS), источник на основе электронно-циклотронного резонанса (ЭЦР), лазерный источник и источник на основе вакуумно-дугового разряда в парах металла (MEWA) (Таблица 2) [ 15], [ 16]. Рассмотрим подробнее данные источники.

Таблица 2 Источники тяжелых ионов, по данным представленным на ISIC1997, ISIC1999 и ISIC2001

Лаборатория/ Страна Источник Ион Ток, A Режим Способ образования металлической плазмы

GSI/Германия Пеннинг Аий+ РЬ9+ вГ и10+ 4KM0"6 15CM0"6 200*10"6 400* 10"6 З00мкс/0,ЗГЦ Распыление рабочим газом (Аг)

GSI/Германия ЭЦР Au27+ Pb27+ Pb27+ и29+ 15-КГ6 5-КГ6 70* 10"6 3*10-6 Непрерывный Непрерывный Afterglow Непрерывный Разряд в испаряемом веществе

GSI/Германия MEVVA Cu3+ Au3+ lf+ 25*10"3 35*10"3 30*10"3 1мс/1Гц Вакуумно-дуговой разряд

ОИЯИ/Дубна ЭЦР Billi+ Bi,9+ Bi20+ 94* 10"6 86* 10"6 66* 10"6 Непрерывный Разряд в испаряемом веществе

CERN/Швейцария Лазерный Pb27+ 10*10"3 5,5мкс/(1/30)Гц С02 лазер, 1014Вт/см2

CERN/Швейцария ЭЦР Pb24+ бб^Ю"6 Непрерывный Разряд в испаряемом веществе

LBNL/США MEVVA Au3+ \f+ 35*10"3 35*10"3 1мс/1Гц

LBNL/США ЭЦР Au30+ Bi25+ u31+ Зб^вЮ"6 70*10"6 24,5*10"6 Непрерывный Разряд в испаряемом веществе

BNL/CUIA EBIS Au32+ 3,4*109 част./имп. 4мс/10Гц

Электронно-лучевой ионный источник (EBIS)

В источнике типа EBIS достижение требуемого зарядового состояния достигается за счет ступенчатой ионизации при взаимодействии ионов с ускоренным пучком электронов. Первый источник был создан в 1967 году и сразу же продемонстрировал свой большой потенциал по генерированию пучков ионов высокой зарядности [ 17]. На нем были получены пучки полностью ободранных ядер азота N7+ , а также Аг18+. Данный источник уже содержал в себе основные элементы — иммерсионную электронную пушку с пирсовскими электродами в магнитном поле 0,2 Тл от «теплого» соленоида длинной 17 см. Электронный пучок с энергией 2 кэВ и током 40 мА с плотностью тока 10 А/см .

Дальнейшее развитие данного источника шло по пути внедрения в его конструкцию новейших технологий конца прошлого столетия -сверхпроводимости и криогенной техники. Сверхпроводимость позволила создать соленоид с магнитным полем на оси 5-6 Тл, а криогеника позволяет заметно улучшить вакуумные условия в области генерации ионов. Обычное о рабочее давление в источнике — 10* Па. На одном из источников данного типа впервые были получены полностью ободранные атомы урана U . В последнее время получили развитие так называемые отражательные источники EBIS. В данных источниках за счет специальной конструкции электродов электронной пушки и отражательного электрода добиваются накопления электронов в сильном магнитном поле. Как результат, после 200 -250 мс удержания получено 5х109 Аг16+ (500 мкА, за 8мкс) [ 18], [ 19], [ 20], [ 21], [22], [23], [24], [25].

Однако представляется маловероятным использование данного источника в качестве инжектора для установки ИТИС ввиду малости тока генерируемого ионного пучка. Основываясь на базисной концепции EBIS, можно определить теоретический предел выхода высокозарядных ионов. На каждый импульс ионного источника можно извлечь число ионов с общим зарядом Q+, при условии 100% компенсации в ловушке, равное числу быстрых электронов, находящихся в данный момент в ловушке.

Q+ = 3,36x10111L Е'1/2, где Q+ - ионная емкость ловушки (в элементарных электронных зарядах), I - ток электронного пучка (в A), L - длина ловушки (в м), Е - энергия электронов (в кэВ). Для параметров источника - электронный пучок 10 кэВ и 1 А, длина 1м- теоретическое число ионов должно быть 10 Л , где i - средний заряд ионов. Работающие источники обычно достигают порядка 10% от теоретической величины.

Ионный источник на электронно-циклотронном резонансе (ЭЦР)

В источниках типа ЭЦР ионизирующие электроны - это электроны самой плазмы, ускоренные в электромагнитной волне [ 26]. Первый источник ионов на основе электронно-циклотронного резонанса был создан Geller еще в 1972 году, но тогда удалось получить только малозарядные ионы. Кардинальный шаг был сделан в 1974 г созданием источника SUPERMAFIOS (SUPERMAshine For Ion Stripping [ 27], в котором помимо аксиального магнитного поля, было добавлено гексапольное магнитного поля в области разряда. Кроме того впервые это был двухкамерный источник. Источники типа ЭЦР могут работать как в непрерывном, так и в импульсном режиме (так называемый режим afterglow ). В последнем случае можно получить в 5- 10 раз больший выход для высоких зарядовых состояний ионов. ЭЦР источник хорошо зарекомендовал себя при работе с газообразными веществами. Для генерации металлических ионов, как это требуется для задач ИТИС, необходимо использовать ту или иную технологию перевода вещества в газообразное состояние. Большинство докладов по ЭЦР источникам на последних трех конференциях по ионным источникам, как раз было посвящено поискам надежного способа генерации на данных источниках пучков ионов твердотельных веществ. Наиболее прямой путь - либо введение образца в область разряда, либо использование микропечи. Однако в первом случае требуются специальные усилия по контролю положения образца вблизи ЭЦР поверхности. Использование печи дает приемлемый результат если для испарения требуется температура не более 2000° С. При более высоких температурах требуется разработка других технологий. Очень перспективным выглядит использование индуктивной печки для испарения требуемого металлического вещества [ 28].

ЭЦР источники на сегодняшний день широко используются во многих лабораториях мира. Это обусловлено высокой стабильностью параметров генерируемого пучка, возможностью работы в непрерывном режиме, практически неограниченный ресурс работы источника и сравнительно высокий заряд ионов пучка. Однако интенсивность пучков остается слишком низкой, а стоимость источника слишком высокой, для его использования в установке для ИТИС.

Лазерный ионный источник

В лазерном ионном источнике генерирование ионов достигается за счет воздействия лазера большой мощности на твердые тела. Возможность использования генерируемой лазером плазмы как источника тяжелых ионов с большим зарядом известна давно. Так библиографический обзор эффектов воздействия лазеров большой мощности на твердые тела, опубликованный Де Микелисом в 1970 г [ 29], содержал 212 ссылок. Сегодня продолжается разработка мощных лазерных ионных источников для термоядерного синтеза и ускорительных комплексов [ 30],[ 31].

Многие свойства создаваемой лазером плазмы потенциально полезны для использования в ионных источниках. Это — высокий вакуум, значительное количество ионов в импульсе, высокая степень ионизации, возможность создания ионов любого твердого вещества, простота изготовления, т.к. под высоким потенциалом должен находится только облучаемый образец. Продолжающиеся усовершенствования лазерной техники постоянно снижают стоимость данного типа ионных источников.

Длительность лазерного импульса обычно составляет десятки - сотни наносекунд. Для формирования пучка ионов длительностью в десятки - сотни микросекунд, как это требуется для ИТИС, используют канал разлета плазмы распыленного вещества. Так для 80 мкс 20 мА пучка ионов свинца РЬ4+, для генерации которого используется СО2 лазер с длительностью 70 не и общей энергией 170 мДж, канал разлета плазмы имел длину 3 м [ 32]. Для формирования пучков большей длительности необходимо увеличивать длину канала разлета плазмы, что, при условии сохранения интенсивности извлекаемого ионного пучка, ведет к необходимости повышения мощности лазера, вплоть до отказа от промышленного образца и конструирования уникального и очень дорого прибора, что заметно осложняет использование данных источников для установок ИТИС.

Ионные источники смешанного типа

В ряде лабораторий были предприняты попытки создать источники смешанного типа. Так в лаборатории Legnaro (INFN, Italy) миниатюрный вакуумно-дуговой источник ионов металлов (ВДИИМ) был установлен внутри ЭЦР источника [ 34]. Похожий эксперимент проводился на ЭЦР источнике в GSI [ 35]. Недавно сообщалось об успешном эксперименте по повышению зарядового состояния ионов пучка свинца при использовании ЭЦР+ВДИИМ источника, проведенном в Институте Прикладной Физики в Нижнем Новгороде совместно с Томским Институтом Сильноточной Электроники.

ВДИИМ также использовался для заполнения ионами ловушки в источниках типа EBIS. Перспективной выглядит идея, предложенная в ИТЭФ в группе под руководством В.А. Баталина, соавтором которой является соискатель, по повышению зарядности ионов в плазме вакуумно-дугового разряда высокоэнергетичными электронами, инжектированными в плазму разряда [ 36]. Основной идеей данного источника является преодоления теоретического предела на величину максимального заряда извлекаемого из источника пучка высокозарядных ионов, свойственного для EBIS. Экспериментальное подтверждение работоспособности данной идеи было показано в серии работ [37].

Также перспективным выглядит использование ЭЦР источника в качестве «бридера» для пучков однозарядных ионов для повышения их зарядового состояния. [38]

Вакуумно-дуговой источник ионов металлов

Вакуумно-дуговой источник ионов металлов (ВДИИМ, или в международной транскрипции источник типа MEWA) является одним из самых перспективных источников для генерации ионных пучков для ИТИС. К достоинству данного типа источников следует отнести, во-первых, простоту конструкции и генерации ионов веществ с большой атомной массой. Достаточно, чтобы при нормальных условиях данные вещества были электропроводниками или входили в состав какого-нибудь электропроводящего соединения. Во-вторых — возможность работы с большой частотой посылок импульсов ионного тока ( от единиц Герц вплоть до непрерывного пучка) наряду с большой длительностью импульса тока пучка. В-третьих — это большая интенсивность потока ионов, которая наряду с малым фазовым объемом пучка ионов позволяет использовать полученный ионный пучок в различных ускорительных системах.

Первые попытки использовать вакуумную дугу как источник ионного тока были предприняты в США в рамках Манхетенского проекта во время второй мировой войны; попытка, однако, не удалась из-за нестабильности дугового разряда [ 39].

Развитие источников на основе вакуумно-дугового разряда в бывшем СССР начались в 50-60 годах группой ученых под руководством А.А. Плютто в Сухумском Физико-Техническом Институте в Грузии [ 40]. Их ранние работы были демонстрацией базовой концепции извлечения ионов металлов из плазмы разряда. В 1968 году ионный источник с вакуумной дугой был продемонстрирован на Украине для генерации пучка ионов бериллия с током до 170 мА [ 41].

Параллельно велись работы по использованию ионных источников на базе вакуумно-дугового разряда в нейтронных генераторах [ 42], где со временем были достигнуты заметные успехи [ 43] [ 44]

В 1979 году Prewett и Holmes из Ливерпульского университета в Великобритании разработали вакуумно-дуговой источник ионов углерода, который генерировал низко энергетичный пучок ионов С4-1" с током до 0,5 А. В США вакуумно-дуговой генератор ионов был изготовлен и использовался Adler и Picraux в Sandia Albuquerque для нужд ионной имплантации [ 45]. Конфигурация данного бессеточного ионного генератора для использования в имплантации является, наверное, наиболее близкой к конфигурации современных источников с вакуумной дугой. Примерно в то же самое время, Humphries с сотрудниками в университете Нью Мехико начали интенсивное исследование возможности применения источников с вакуумной дугой для использования в программе исследований термоядерного синтеза [ 46].

Большое внимание развитию вакуумно-дугового, широкоапертурного сильноточного источника металлических ионов большой длительности было уделено в Томском Институте Сильноточной Электроники при Академии наук в исследовательской группе под общим руководством академика Месяца.

Наиболее последовательная и успешная программа по исследованию вакуумно-дуговых источников ионов была начата в Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) в 1982 году для генерации сильноточного уранового пучка для инжекции в тяжело ионный синхротрон (Bevelac) для фундаментальных исследований в области ядерной физики и, позднее, для технологий имплантации [ 47]. На первом источнике были получены пучки ряда металлов с током до 1 А, энергией около 100 кэВ и длительностью 250 мкс при частоте повторений несколько десятков импульсов в секунду. Успехи данной программы дали огромный толчок к развитию данного источника ионов и применению его в различных областях, включая физику ускорителей, по всему миру.

Вакуумная дуга в парах металла является разрядом между двумя металлическими электродами в вакууме. Давление должно быть достаточно низким, чтобы газ не влиял на процессы в разряде; давление около 10"4 мм рт.ст. можно считать грубым верхним пределом, а обычным является давление порядка 10"6 мм рт.ст. Основной особенностью разряда данного типа является образование катодных пятен — очень маленьких областей на поверхности катода с большой плотностью тока - где материал катода испаряется и ионизуется. При микронных размерах пятна, плотность электронного тока в катодном пятне может быть более 10 А/см . Наблюдалось, что пятна могут передвигаться по поверхности катода. Ток, проходящий через катодное пятно, обычно составляет величину порядка нескольких ампер в зависимости от материала катода. Если через разряд пропустить больший ток, то образуется несколько катодных пятен. При токе в сотню ампер, что является характерной величиной для ВДИИМ, в дуговом разряде могут участвовать более десятка катодных пятен. Плазма, образованная в пятне, распространяется первоначально перпендикулярно катоду и далее по направлению к аноду, тем самым обеспечивая протекание тока дуги. При токах разряда, характерных для работы ВДИИМ, плазма полностью состоит из вещества катода. Размеры и плотность плазмы можно контролировать, но в очень малом диапазоне значений. При нормальной работе ВДИИМ плазменная струя проходит через отверстие в аноде по направлению к вытягивающему электроду, где осуществляется отбор ионов с плазменной границы и формирование ионного пучка [ 48].

Проведенный анализ привел к выводу, что ВДИИМ является самым перспективным источником для использования на ускорителе-драйвере энергетической установки на основе ИТИС. Тем не менее, несмотря на значительный прогресс в развитии ВДИИМ, остается неразрешенными еще ряд серьезных проблем. При высокой интенсивности производимого пучка, физика генерации ионов во ВДИИМ обуславливает их относительно низкую зарядность. С точки зрения применения в ускорительной технике, интерес представляет любая возможность увеличения зарядности генерируемых ионов при условии сохранения высокой интенсивности пучка. Для положительного решения вопроса о возможности использования источника с вакуумно-дуговым разрядом в программе ИТИС и для работ по изучению взаимодействия ускоренного в ЛУ ПОКФ ионного пучка с плазменной мишенью необходимо экспериментально исследовать параметры генерируемого данным источником пучка тяжелых ионов, важных с точки зрения использования его в ускорителе: величины токов каждой зарядности для генерируемых пучков различных веществ, фазовые характеристики потока ионов, стабильность параметров генерируемых пучков тяжелых ионов. При этом необходимо получить экспериментальную информацию о поведении катодного пятна. Его движение по поверхности катода является основной причиной нестабильности параметров генерируемого пучка.

Правильность выбора типа источника подтвердилась с течением времени. Несмотря на огромные успехи использования источников типа ЭЦР, ВДИИМ остается основным кандидатом как только возникает необходимость в сильноточном пучке тяжелых ионов. Так в программе ИТИС США источник данного типа остается основным кандидатом для ЛИУ [ 49], [ 50], [ 51]. В

Германии, на ускорительном комплексе в GSI, наиболее мощной европейской экспериментальной установкой, где проводятся работы по исследованию ключевых вопросов как связанных с вопросом создания драйвера для ИТИС, так и по работам с плазменной мишенью, последние два года наибольший интерес уделяется ВДИИМ. С его помощью достигнуто ускорение пучка ионов с током 3,5 мА в новой IH-структуре, инжекторе для UNILAC в декабре 2001 г. Ток пучка на выходе вакуумно-дугового источника - 16 мА, максимальный ток на входе в ускоритель — 8 мА. Максимальный ток на выходе ускорителя - 3,5 мА и не зависит от величины тока пучка на входе. Лучший достигнутый коэффициент захвата при токе на входе 5мА — 70% [ 52].

Разработанный в ИТЭФ ВДИИМ позволил провести ряд экспериментальных работ, важных для создания энергетической установки ИТИС. Экспериментальное исследование одновременного ускорения в ЛУ ПОКФ ионов с различным удельным зарядом впервые в мире было проведено на ТИПр-1, о чем было доложено на XII Всесоюзном совещании по ускорителям заряженных частиц [ 53] и позднее на XVIII Международной конференции по линейным ускорителям [ 54]. Последующее теоретическое исследование одновременного ускорения ионов с различными удельными массами проведено А.И Балабиным [ 55].

Опыт, накопленный при работе с данным источником в качестве инжектора для ЛУ ПОКФ ТИПр-1, привел к созданию специально под параметры пучка, генерируемого данным источником новой ускоряющей структуры с ПОКФ для данного ЛУ, на которой были достигнуты расчетные параметры на пучке ионов меди второй зарядности - ток 11 мА при 90 % захвате. Увеличение зарядового состояния ионного пучка, достигнутое в источниках е-MEVVA (ВДИИМ с внешним электронным пучком) и MEWA-M (ВДИИМ со ступенчатым разрядом в аксиальном магнитном поле с большим продольным градиентом) при сохранении свойственной ВДИИМ интенсивности, расширяют область применения данных источников. Так, помимо задач, связанных с проблемами ИТИС, последнее время появился значительный интерес к изучению взаимодействия ионных пучков с плазменной мишенью при относительно низких энергиях пучка. Интерес представляют следующие экспериментальные работы: непосредственное измерение потерь энергии ионов в тонких плазменных мишенях и экспериментальное сравнение потерь энергии ионов в плазме и холодном веществе, а также экспериментальное исследование зарядового распределения ускоренного пучка после взаимодействия с плазменной мишенью и т.д. Известные немногочисленные эксперименты показали, что энергетические потери тяжелоионного пучка низкой энергии (—100 кэВ/нуклон) в плазме возрастают по сравнению с потерями в холодном неионизированным веществе той же плотности более чем в 40 раз. Однако, имеющиеся на сегодняшний день, экспериментальные данные по данному вопросу явно недостаточны [ 56], [ 57], [ 58], [ 59]. Для данных экспериментов необходимо иметь пучки ускоренных ионов с различными значениями атомных масс и электрических зарядов, что ставит вопрос о возможности и эффективности ускорения в ЛУ ПОКФ частиц с различными удельными массами. Именно в экспериментах по данному направлению видится завтрашний день модернизированного ЛУ ПОКФ ТИПр-1 [ 60]

Структура и объем работы:

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе исследований, проведенных в данной работе, получены следующие результаты:

1. Разработана оригинальная конструкция вакуумно-дугового источника ионов металлов для генерации и формирования пучка ионов с удельной массой около 60 а.е.м., длительностью до 1 мс, током не менее 10 мА при нормализованном эмиттансе не хуже 2 мм*мрад. Данный источник является на текущий момент штатным источником тяжелоионного ЛУ с ПОКФ ТИПр-1. Он также был штатным источником на ЛУ с фазопеременной фокусирующей структурой при проведении исследовательских работ по производству ядерных фильтров с помощью тяжелоионного пучка [ 92].

2. Предложена конструкция составного катода, позволяющего получать пучки, состоящие из ионов различных металлов с их временным разделением. С использованием данного катода проведена экспериментальная оценка скорости движения катодного пятна по поверхности молибденового катода, которая составила 20 м/с.

3. Получено ускорение до 36 кэВ/нуклон ионов, генерируемых разработанным ВДИИМ, в ЛУ ТИПр-1 с ПОКФ на частоте 6,19 МГц. В частности, получен ускоренный пучок ионов урана четвертой зарядности с током 7 мА.

4. Впервые в мире экспериментально изучена возможность ускорения в ЛУ с ПОКФ ионов с различной удельной массой.

5. На пучке ионов меди Си , генерируемых разработанным ВДИИМ, произведен физический запуск новой ускоряющей структуры с ПОКФ на частоте 27,7 МГц для ЛУ ТИПр-1 и получены расчетные параметры ускоренного до энергии 110 кэВ/нуклон пучка.

6. Предложен способ повышения зарядового состояния ионов, генерируемых вакуумно-дуговым разрядом, за счет ступенчатого разряда в аксиальном магнитом поле с большим продольным градиентом и на его основе разработана и исследована конструкция источника, позволившая повысить зарядовое состояние ионов пучка. Получен пучок ионов урана общим током i I

50 мА с содержанием ионов U более 20%, что является на сегодняшний день лучшим показателем для источников на основе вакуумно-дугового разряда.

7. Для ионного источника e-MEWA, идея которого предложена в ИТЭФ, аналитически исследованы электростатические колебания, возникающие при инжекции электронного пучка в плазму вакуумно-дугового разряда. Получены условия стабильной работы источника. Результаты исследования позволили усовершенствовать работу данного источника. Впервые в мире экспериментально достигнуто повышение зарядности ионов свинца, генерируемых вакуумно-дуговым разрядом, в результате инжекции электронного пучка в плазму вакуумно-дугового разряда.

1. Дюдерштадт Д., Мозес Г. Инерционный термоядерный синтез. М.: Энергоиздат, 1984.

2. Sharkov B.Yu. Heavy ion fusion energy program in Russia, N1M in Ph. R., A 646(2001), p. 1.

3. Владимирский B.B., Капчинский И.М., Тепляков B.A. Линейный ускоритель ионов. Авторское свидетельство СССР №265312. Бюлл. ОИПТЗ, 1970, №10, с.75.

4. Артемов B.C. и др. Ускоритель тяжелых малозарядных ионов с пространственно-однородной квадрупольной фокусировкой на частоте 6 МГц. Вопросы Атомной Науки и Техники Серия: Техника Физического Эксперимента, вып. 3(34), 1987, стр. 5.

5. Чеблуков Ю.Н., Кошкарев Д.Г. Некоторые экспериментальные задачи, связанные с тяжелоионным синтезом. Препринт ИТЭФ №67, М., 1984.

6. Bangerter R.O., Godlove T.F., Herrmannsfeldt W.B., Keef D. Heavy ion fusion accelerator research in USA. X Int. Conf. on Plasma Phys. and Contr. Nucl. Fus. Res., London, 12-19 Sep., 1984.

7. Зенкевич П. P., Имшенник В. С., Капчинский И. М. и др. Исследования в ИТЭФ по применению тяжелоионных пучков для УТС. В кн.: Труды VIII ВСУ. T.I. Дубна, 1983, с.92.

8. Bock R. Heavy ion Fusion. IEEE Trans. Nucl. Sci., Vol. NS-30, N3, 1983, p.3049.

9. Hirao Y. Review on HIF accelerators. Proc. Of the 1984 Linear Accelerator Conf., GSI-84-11, p.490.

10. HofmanT I. Resent Developments in Heavy Ion Driver Studies at GSI. Proc. ISFA, Bordeaux, France, September 13-17, 1999, p. 731.1 l.Hofmann I. Heavy ion inertial fusion in Europe, NIM in Ph. R., A 646 (2001), p. 24.

11. Bangerter R.O. The heavy ion fusion in the USA, NIM in Ph. R., A 646 (2001), p. 17.

12. Капчинский И.М., Кушин B.B., Лазарев H.B. Линейные ускорители тяжелых малозарядных ионов для инерционного термоядерного синтеза. Вопросы Атомной Науки и Техники Серия: Техника Физического Эксперимента, вып. 2(23), 1985, стр.10.1. J I

13. Н.Артемов B.C. и др. Ускорение ионов Хе в первой секции ЛУ для инерционного УТС на пучке тяжелых ионов. Труды IX Международной конференции по ускорителям высоких энергий, Новосибирск, 7-11 августа 1986г., Наука, Новосибирск, т.1,1987г., стр.237.

14. Angert N. Ion Sources, CERN accelerator school, fifth general accelerator physics cource, Univercity of Jyvaskyla, Finland 7-18 September 1992, p.619.

15. Физика и технология источников ионов, под редакцией Я. Брауна, М.: Мир, 1998г.

16. Донец Е.Д. Авторское свидетельство СССР №. 248860 (от 16 марта 1967), Бюлл. ОИПТЗ, 1969,№23, с. 65.

17. Donets E.D. The electron beam method of production of highly charged ions and its applications. Physical Scripta, V.T3, 1983, p. 11.

18. Донец Е.Д, Овсянников В.П. ОИЯИ, Р7 9799, Дубна (1976).

19. Донец Е.Д, Овсянников В.П. ОИЯИ, Р7 80 - 515, Дубна (1980).

20. Faure J. Proc. 1984 Liner Acceleratir Conf., Report GSI-84-11, Darmstadt (1984).

21. Becker R., Kleinod M and Klein H. 2nd EBIS Workshop, Saclay-Orsay, 1981 (CEA-IN2P3, Orsay, 1981) p.185.

22. Донец Е.Д. и Ширков Г.Д. Авторское свидетельство СССР №1225420, ( от 02 июля 1984), Бюлл. ОИПТЗ, 1989, №44, с. 69.

23. Donets E.D. Historical review of electron beam ion sources, Review of Scientific Instruments V/69, N2, 1998, p. 614.

24. Mars R.E., Elliot S.R. and Knapp D.A., Phys. Rev. Lett. 72,1994, p. 4082.

25. Arianer J. and Giller R. Annu. Rev. Nucl. Part. Sci. 31,1981, p. 19.

26. Geller R. Electron Cyclotron Resonance Multiply Charged Ion Source, IEEE Trans. NS-23, No.2,1976, p. 904.

27. Cavenago M., Kulevoy Т., and Petrenko S. Radio-frequency ovens for ECR ion sources, Review of Scientific Instruments, V 73, N 2, February, 2002, p. 552.

28. De Michelis C. IEEE J. Qunt. Electronics QE-6, 1970, p. 630.

29. Balabaev A. et. al. Development and operation of laser source of highly charged ions for ITEP terra Watt accumulator facility, Rev. Sci. Instrum. 73, 2002, p. 773.

30. Fournier P. et. al. Status of C02 laser ion source at CERN, Rev. Sci. Instrum. 71, 2000, p. 924.

31. Khomenko S.V. et al. Feasibility study of Pb4+ (80 100 us, 20 vA) pulsed ion beam generation in laser ion source, Препринт ТРИНИТИ 0079-A, ЦНИИАТОМИНФОРМ, 2001.

32. Irons F.E. and Peacock N.J. J.Phys. В 7, 1974, p. 2084.

33. Cavenago M., Kulevoy Т., Vassiliev A. Propagation of MEWA ions into ECR ion sources, Rev. Sci. Instr, 69,1998, p. 795.

34. Spadtke P. et al. Ion source development in GSI, RSI, V69, N2, 1998, p. 1079.

35. Batalin V., Volkov Y., Kulevoy Т., Petrenko S. The E-MEWA Ion Source for High Charged Uranium IonsGeneration. Proceedings 17th International Linac Conference LINAC-94, August 21-26, Tsukuba, Japan, 1994, p. 390.

36. Bugaev A.S., Oks E.M. et.al. Enhanced ion charge states in vacuum arc plasmas using a "current spike" method. RSI, Vol.71, No.2, Part II, February 2000, p. 701.

37. Geller R. The electron cyclotron resonance (l+n+) systems and the I SOL radioactive beam facilities, RSI, Vol.71, No.2, Part II, February 2000, p. 612.

38. Wakerling R.K. and Guthrie A. Eds., Electromagnetic Separation of Isotopes in Commercial Quontities. USAEC, National Nuclear Energy Series, 1951, p.324.

39. Плютто A.A. Ускорение положительных ионов из расширяющейся плазмы вакуумной искры, ЖЭТФ, V.39, N.6, 1960, с. 1589.

40. Ревитский Е.И. и др. Импульсный тяжелоионный источник с твердой рабочей основой, в трудах конф. по ускорителям заряженных частиц, М., октябрь 9- 16, 1968г., стр.447.

41. Бабушкин А.С., Горшков А.П., Овсянников С.Б., Смекалин Г.И. Импульсный нейтронный генератор, Авторское свидетельство СССР №218332(1958)

42. Васин B.C., Курков В.П., Овсянников А.С. Импульсный генератор нейтронов, Авторское свидетельство СССР №377099 (1971)

43. Минц А.З., Плешакова Р.П., Шиканов А.Е. Квантовая электроника, 13, №2, с. 445 1986.

44. Adler R.J. and Picraux S.T. Repetitevely pulsed metal ion beams for ion implantation, NIM, V. B6, 1985, p. 123.

45. Humphries S. et al. Gridless extraction of pulsed ion beam, J. Appl. Phys., V.59, 1986, p. 1790.

46. Brown I.G., Galvin J.E and MacGill R.A. High current ion source, Appl. Phys. Lett., V.47, 1985, p.358.

47. Brown I.G. and Oks E.M. Vacuum Arc Ion Source a Brief Historical Review, IEEE Trans.on PI. Sciens., V.25, No.6, 1997, p. 1222.

48. Kwan J.W. et al. Ion source and injectors for HIF induction linacs, NIM in Ph.R. A 646 (2001), p. 379.

49. Kwan J. W. High current injectors for heavy ion driven inertial fusion, RSI V71, N2,2000, p. 807.

50. Anders A., Kwan J.W. Arc-discharge ion source for heavy ion fusion, NIM in Ph.R. A 646 (2001), p. 569.

51. Spaedtke P. U4+ MEWA source & outlook for HIF sources, NIM in Ph.R. A 646 (2001), p. 388.

52. Batalin V.A., Volkov Yu.N., Kulevoy T.V., Petrenko S.V. The Acceleration of different Specific Charge Ions in the Heavy Ion RFQ, Proc. XVIII Int. Linac Conf. LINAC 96, Geneva, 1996, p. 719.

53. Balabin A.I. On the possibility of simultaneous acceleration of ions with different charge to mass ratio in RFQ, NIM A 348 (1994), p. 1.

54. Bangerter R.O. The heavy ion fusion program in the USA,, NIM in Ph.R. A 646 (2001), p. 17.

55. Wang P., Mehlhorn T.M., MacFarlane J.J. Phys. of Plas. V. 5, N.8, 1998, p. 2977.

56. Chabot M., Nectoux M., Gardes D. et al., NIM, A 415, (1998), N.3, p. 571.

57. Stuckl C., Boine-Frankenheim O., Geisel M. NIM, A 415, (1998), N.3, p. 558

58. Brown I.J. The metal vapor vacuum arc (MEWA) high current ion source. IEEE Trns. Nucl. Sci. Vol.1, NS-32, No5, Pt 1, 1985, p. 1723.

59. Gilmour A.S. and Lockwood D.L. Pulsed Metallic-Plasma Generator, proceedings of the IEEE, vol.60, No. 8, august 1972.

60. Ian G. Brown, Hiroshi Shiraishi, Cathode Erosion Rates in Vacuum-Arc Discharges, IEEE Trans, on Plasma Scieence, Vol.18, No.l, 1990, p. 170.

61. Баталии B.A., Васильев A.A., Волков Ю.Н., Кулевой Т.В., Петренко С.В., Источник тяжелых малозарядных ионов с вакуумной дугой. Вопросы атомной науки и техники, Серия: Ядерно-физические исследования (теория и эксперимент). Вып.5(5), 1989, с.98.

62. Batalin V., Volkov Y., Kulevoy Т., Petrenko S. Vacuum Arc Ion Source for the ITEP RFQ Accelerator. Rev.Sci.Inst. 65(10), Oct. 1994, p.3104.

63. Batalin V., Volkov Y., Kulevoy Т., Petrenko S. Report on ITEP MEW A Development. Proc. Workshop on Vacuum Arc Ion Sources, Berkeley, USA (1996). p.37.

64. Баталин B.A., Волков Ю.Н., Кулевой T.B., Петренко С.В. Составной катод для вакуумно-дугового источника ионов металлов. Приборы и техника эксперимента, No.6,1992г., с. 191.

65. Балабин А.И. Формирование ускоряюще-фокусирующих полей и оптимизация электродов в линейных ускорителях с пространственно-квадрупольной фокусировкой, диссертация на соискание ученной степени кандидата физико-математических наук, ИТЭФ, Москва, 1986.

66. Зарубин А.Б. Ускоряющая структура для тяжелых ионов на основе резонансной системы с сосредоточенными индуктивностями, диссертация на соискание ученной степени кандидата технических наук, ИТЭФ, Москва, 1987.

67. Баталин В.А., Кондратьев Б.К., Турчин В.А. Ионно-оптическая система источника тяжелых ионов для время-пролетных измерений.\\ ПТЭ, N 4, 1987г., стр.34.

68. Brown I.J. and Godechot X. Vacuum Arc Ion Charge State Distributions. LBL-29244, June, 1990.

69. Andres A. and Yushkov G. Yu. Ion flux from vacuum arc cathode spots in the absence and presence of a magnetic field, Journal of Applied Physics, V. 91, No. 8,2002 p. 4824.

70. Sasaki J. and Brown I.G. Rev. Sci. instrum., 61, No.l, 1990, p. 586.

71. Габович М.Д., Плешивцев H.B., Семашко H.H. Пучки ионов и атомов для управляемого термоядерного синтеза и технологических целей. М. Энергоиздат, 1986 г.

72. Баталин В.А., Волков Ю.Н., Кулевой Т.В., Петренко С.В. Вакуумно-дуговой источник ионов металлов, Препринт ИТЭФ 37-91, Москва (1991)

73. Вакуумные дуги, Под редакцией Дж. Лафферти, Москва, Мир, 1982

74. Kolomiets A. at al. DYNAMION The Code for Beam Dynamics Simulation in High Current Ion Linac. EPAC-98, Stockholm, Sweden, p. 1201.

75. Капчинский И.М. Теория линейных резонансных ускорителей, М.: Энергоиздат, 1982г.

76. Мак-Лахлан Н.В. Теория и приложения функций Матье., М.:Изд-во иностр. лит., 1953г.

77. Parisi G., Sauer A., Deitinghoff Н., Klein Н. Parameter study for a high current heavy ion linac, Proceedings of the XIX International LINAC Conference, Chicago, Illinois, USA, August 23 28,1998, p.79.

78. Ostroumov P.N. and Shepard K.W., Multiple-charge beam dynamics in an ion linac, Physival Review Special Topics Accelerators and Beams, V3, 000000 (2000), pp. 000000-1 - 000000-10.

79. Коломиец A.A., . Высоцкий C.A., Ярамышев С.Г Оптимизация конструкции канала транспортировки пучка ускорителя ТИПр, отчет ИТЭФ №997, М., 2000.

80. Ярамышев С.Г. Разработка интенсивных линейных ускорителей ионов, диссертация на соискание ученной степени кандидата физико-математических наук, МГУ, Москва, 2002.

81. Batalin V., Volkov Y., Kulevoy Т., Petrenko S. Producing of the High Charged Ions by the Modification of the MEWA Ion Source, Proceedings of EPAC-94, p. 1560.

82. Miller R.B. An Introduction to the Physics of Intense Charged Particle Beams, New York: Plenum Press, 1982.

83. Дэвидсон P. Теория заряженной плазмы, M.: Мир,1978.

84. Мешков И.Н. Транспортировка Пучков Заряженных Частиц. Новосибирск: Наука, 1991.

85. Кулевой T.B. Электростатические колебания в канале дрейфа ВДИИМ, Препринт 1-01 ИТЭФ, М., 2001г.

86. Кулевой Т.В., Куйбида Р.П., Петренко С.В., Селезнев Д.Н., Першин В.И., Баталин В.А., Коломиец А.А. Повышение зарядности пучка ионов урана в источник вакуумно-дугового типа (MEWA), ПТЭ, №3, 2002, с. 5.