Исследование ЭЦР источников многозарядных ионов с квазигазодинамическим режимом удержания плазмы в открытых магнитных ловушках тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

На правах рукописи

СКАЛЫГА Вадим Александрович

оозиь^с.^^

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЦР ИСТОЧНИКОВ МНОГОЗАРЯДНЫХ ИОНОВ С КВАЗИГАЗОДИНАМИЧЕСКИМ РЕЖИМОМ

УДЕРЖАНИЯ ПЛАЗМЫ В ОТКРЫТЫХ МАГНИТНЫХ ЛОВУШКАХ

01 04 08 - физика плазмы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Нижний Новгород - 2007

003062649

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

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук,

В Г Зорин

Официальные оппоненты доктор физико-математических наук,

профессор А А Сковорода

кандидат физико-математических наук, Д Л Пасманик

Ведущая организация Объединенный институт ядерных исследований, Лаборатория ядерных реакций

Дата защиты мая 2007 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 002.069.02 в Институте прикладной физики РАН (603950, 1 Нижний Новгород, ул Ульянова, 46)

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

Автореферат разослан « Ч » апреля 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного Х/С? I /

совета, доктор физ -мат наук, профессор ю В Чугунов

Общая характеристика работы

Актуальность темы диссертации.

СВЧ разряд в магнитном поле в условиях электронного циклотронного резонанса (ЭЦР) уже давно привлекает к себе внимание исследователей Первоначально изучение ЭЦР разряда было связано, главным образом, с экспериментами в легких газах, проводимыми в рамках программы по управляемому термоядерному синтезу (см., например, [1-8]) В дальнейшем ЭЦР разряд в открытых магнитных ловушках стал использоваться гакже в других областях науки и техники Например, в ядерной физике, где на базе ЭЦР разряда в тяжелых газах созданы эффективные источники многозарядных ионов Требования к этим источникам постоянно возрастают необходимо повышать как заряд ионов д (поскольку энергия разогнанных заряженных частиц в циклотронном ускорителе пропорциональна q2 [9,10]), так и интенсивность ионных пучков для увеличения вероятности наблюдения реакции Именно источники многозарядных ионов (источники МЗИ) на основе ЭЦР разряда в магнитной ловушке считаются в настоящее время наиболее перспективными в этом плане [10,11] Такие устройства позволяют одновременно поддерживать электронную температуру плазмы на высоком уровне, необходимом для многократной ионизации газа и достаточно долго удерживать плазму для обеспечения глубокой обдирки ионов Основные потери плазмы связаны с ее выносом через магнитные пробки ловушки, что позволяет с помощью традиционных систем экстракции формировать качествешгые интенсивные ионные пучки В настоящее время развитие источников многозарядных ионов во многом определяет развитие экспериментальной ядерной физики

Один из путей совершенствования ЭЦР источников МЗИ связан с повышением частоты и мощности СВЧ накачки Это стало очевидным после того, как в работах [12, 13] экспериментально было продемонстрировано значительное увеличение выхода многозарядных ионов из ЭЦР источника при изменении частоты греющего СВЧ излучения с 10 до 18 ГТц - ток ионов со средним по распределению зарядом увеличился пропорционально квадрату частоты накачки Позднее этот эффект был подтвержден при использовании излучения с частотой 28 ГГц [17,18] Это связано с тем, что в ЭЦР разряде предельно достижимая плотность плазмы определяется частотой СВЧ излучения, что объясняется тем, что при приближении ее концентрации к критическому значению эффективность нагрева резко падает В связи с перспективностью пути повышения частоты накачки, исследования СВЧ разряда в магнитном поле, поддерживаемого мощным излучением гиротронов с частотой свыше 30 ГТц, представляются необходимыми и своевременными

Уже первые эксперименты, проведенные в ИПФ РАН, с использованием мощного СВЧ излучения гиротрона на частоте 37,5 ГГц [14] подтвердили сильную зависимость тока ионов от часюты Причем, в ходе этих исследований экспериментально наблюдался принципиально другой характер удержания плазмы в ловушке, отличный от используемого в остальных современных ЭЦР источниках При достаточно высокой плотности плазмы может реализовываться так называемый квазигазодинамический режим удержания fl5], время жизни плазмы в котором мало и не зависит от ее концентрации Несмотря на небольшое время жизни плазмы в ловушке, параметр ее удержания (произведение концентрации плазмы на время ее жизни) может достигать уровня достаточного для эффективной генерации МЗИ за счет возможности повышения плотности плазмы В этом случае плотность потока плазмы из ловушки через ее пробки оказывается на несколько порядков выше, чем в используемых сейчас ЭЦР источниках, что делает возможным получение ионных пучков с рекордно высоким током Поэтому детальное изучение квазигазодинамического режима удержания плазмы в условиях мощной накачки СВЧ излучением миллиметрового диапазона длин волн является актуальным

Также следует отметить, что малое время жизни при квазигазодинамическом режиме удержания позволяет реализовывать быстрое развитие ЭЦР разряда и, следовательно, малое время выхода параметров плазмы на стационарное значение, что является необходимым для создания короткоим-пульсных ЭЦР источников ионов Создание таких систем в настоящее время требуется для решения ряда задач, например, для исследования эффекта осцилляций нейтрино в рамках проекта «Beta Beam» [16]

В последние несколько лет гиротроны начали использоваться в экспериментах с классическими ЭЦР источниками ионов [17, 18,19,20], которые наиболее распространены на сегодняшний день Для удержания плазмы в таких источниках используются открытые магнитные ловушки с конфигурацией магнитного поля «mm В» [11], которая формируется комбинацией поля простого пробкотрона и поля многополюсной магнитной системы (обычно шестгаютосной), 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 1012 см"3 при их температуре до нескольких кэВ Основным преимуществом описываемых источников является большое время жизни плазмы в магнитной ловушке, за счет которого обеспечивается глубокая обдирка ионов Максимальная частота СВЧ накачки, используемая в классических ЭЦР источниках МЗИ, в настоящее время составляет 28 ГГц [17, 18] Однако дальнейшее повышение частоты греющего излучения в таких системах оказывается ограничено рядом проблем Строительство ловушек с конфигурацией магнитного поля «mm В», рассчитанных на частоты накачки свыше 30 ГГц, на современном

схемы СВЧ накачка будет осуществляться на частоте до 120 ГГц, что позволит создавать в ловушке плазму с плотностью до 1-1014 см"3 Удерживаться плазма будет в ловушке со встречными полями с эффективной длинной порядка 10 см, что необходимо для подавления МГД неустойчивостей плазмы, а также обеспечит время выхода разряда на стационарную стадию менее 10 мкс Мощность СВЧ накачки свыше 200 кВт будет достаточна для поддержания температуры электронов на необходимом уровне для реализации распределения ионов гелия по кратностям ионизации с максимумом на Не2+. Использование разрядной камеры с малым объемом обеспечит эффективность использования дорогих частиц до 30 % Экстракция ионного пучка будет осуществляться с помощью традиционной двух электродной системы экстракции с малым диаметром отверстия в плазменном электроде (1 мм) Такая системы экстракции позволит получать пучки ионов с током не менее 10 мА

В заключении сформулированы основные научные результаты, полученные в диссертационной работе.

Основные результаты работы

Полученные в диссертационной работе основные научные результаты заключаются в следующем

1 Построена теоретическая модель, описывающая динамику развития ЭЦР разряда в тяжелых газах в открытых магнитных ловушках и процесс формирования МЗИ в плазме разряда Особенностью модели является учет влияния на функцию распределения электронов по энергиям на начальной стадии разряда эффекта суперадиабатического взаимодействия электронов с СВЧ волной в условиях ЭЦР Результаты расчетов в рамках модели хорошо согласуются с экспериментальными данными

2. Предложен бесконтактный метод определения температуры и концентрации электронов в сильноионизованной плазме ЭЦР разряда при квазигазодинамическом режиме ее удержания в магнитной ловушке по экспериментально измеренным величинам плотностей потоков ионов всех кратностей ионизации через пробки ловушки 3 Разработаны компактная магнитная система и разрядная вакуумная камера, позволившие оптимизировать время жизни плазмы при квазигазодинамическом режиме удержания в ловушке со встречными полями для условий экспериментальной установки БМГБ 37 Получена плазма с концентрацией электронов приблизительно 1013 см"3 при их температуре около 50 эВ и временем жизни в ловушке 10 мкс, что обеспечило параметр удержания на уровне, достаточном для генерации МЗИ

4 Впервые экспериментально реализован квазигазодинамический режим удержания неравновесной плазмы ЭЦР разряда в тяжелых газах в ловушке со встречными полями при мощной СВЧ накачке, и определены условия для эффективной генерации МЗИ

5 Получены потоки ионов с плотностью до нескольких ампер через квадратный сантиметр из плазмы ЭЦР разряда, удерживаемой в ловушке со встречными полями и созданной мощным СВЧ излучением гиротрона с частотой 37,5 ГГц и мощностью до 100 кВт. Продемонстрирована возможность получения пучков МЗИ (со средним зарядом 2-3 для азота) с рекордной яркостью

6 Показана возможность быстрого ЭЦР пробоя газа в ловушке ЭЦР источника МЗИ (менее 15 мкс) за счет реализации квазигазодинамического режима удержания плазмы при использовании в качестве накачки излучения гиротрона миллиметрового диапазона длин волн Получены пучки многозарядных ионов с длительность импульса ~ 50 мкс

7 Были проведены экспериментальные исследования эффективности ионизации гелия в плазме ЭЦР разряда, удерживаемой в простой зеркальной магнитной ловушке в условиях интенсивной СВЧ накачки на частоте 75 ГГц Было показано существенное увеличение параметра удержания за счет повышения частоты греющего поля и, как следствие, рост среднего заряда ионов в плазме

Список цитируемой литературы

[1] Dandi R А, England А С, Ard W В et al Properties of a high-beta plasma produced by electron-cyclotron heating. // Nuclear Fusion 1964 V 4 P 344-353

[2] Ikegami H , Ikezi H , Hosokawa M et al Shell structure of a hot-electron plasma //Physical Review Letters 1967 V 19 N 14 P 778-781

[3] Будников В H , Виноградов Н И , Голант В Е. и др Исследование плазмы, созданной СВЧ полем в режиме циклотронного резонанса. // Журнал технической физики 1967.'Г 37 №5 С 851-856

[4] Аликаев В В , Бобровский Г.А , Позняк В И. и др. Нагрев плазмы в то-камаке ТМ-3 на электронно-циклотронном резонансе при магнитных полях до 25 ъЭ.// Физика плазмы 1976 Т 2 Вып 3 С. 390-395

[5] Димов Г.И, Закайдаков В В , Кишиневский М Е. Термоядерная ловушка

с двойными пробками.//Физика плазмы 1976 Т 2 Вып 4 С 597-610.

[6] Аликаев В В ВЧ и СВЧ методы нагрева плазмы // Итоги науки и техшз-

ки Сер. Физика плазмы 1981 Т 1 Ч. 2 С 80-99

[7] Аликаев В В , Литвак А Г , Суворов Е В , Фрайман А А Электронно-циклотронный нагрев плазмы в тороидальных системах // В кн • Высокочастотный нагрев плазмы Горький ИПФАНСССР 1983 С 6-70

2 Импульсные квазисгационарные пучки многозарядных ионов с длительностью менее 100 мкс могут быть сформированы го плазмы ЭЦР разряда при квазигазодинамическом режиме ее удержания в условиях мощной СВЧ накачки излучением гиротрона миллиметрового диапазона длин волн.

Публикации и апробация результатов.

По теме диссертации опубликовано 9 статей в рецензируемых научных журналах, 10 докладов в трудах конференций.

Результат выполненных исследований обсуждались на научных семинарах в Институте прикладной физики РАН, Институте атомной энергии им И В Курчатова, Институте ядерных исследований СОРАН, Объединенном институте ядерных исследований (Дубна), LPSC (Гренобль, Франция), и в других научных организациях Они докладывались на Международных и Всероссийских конференциях, в том числе на 15-ом, 16-ом и 17-ом международных совещаниях по ЭЦР источникам ионов ( International Workshop on ECR Ion Sources Финляндия, 2002, США, 2004, Китай, 2006), на 9-ой, 10-ой и 11-ой международных конференциях по ионным источникам (International Conference on Ion Sources США, 2001, Корея, 2003, Франция, 2005), на второй научно-технической конференции «Молодежь в науке» (2003, г Саров), на 5-ой международной конференции по откры гьгм магнитным системам для удержания плазмы (International Conference on Open Magnetic Systems for Plasma Confinement OS-2004, Новосибирск, 2004), на Всероссийском семинаре по радиофизике миллиметрового и субмиллиметрового диапазона (2005, H Новгород), на 6-ом международном совещании "Strong microwaves m plasmas" (2005, Russia), на 22-ой международной конференции "International Conference on Atomic Collusions m Solids" (2006, Германия), на 6-ом международном совещагага по микроволповым разрядам (International Workshop "Microwave discharges Fundamentals and Applications", 2006, Звенигород).

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы Общий объем диссертации составляет 145 страниц, включая 60 рисунков CiuicoK литературы содержит 60 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 вводятся основные понятия и описываются особенности удержания неравновесной (средняя энергия электронов » температуры ионов) плазмы ЭЦР разряда в магнитных ловушках источников МЗИ

Предлагается теоретическая модель, описывающая процессы развития ЭЦР разряда в открытых магнитных ловушках и генерации МЗИ в плазме разряда Рассматриваются возможные применения построенной модели. Материалы, изложенные в первой главе, опубликованы в [1А, 2А, ЮЛ, 14А]

В разделе 1.1 вводятся основные понятия и определения, используемые при описании неравновесной многокомпонентной плазмы ЭЦР разряда Дается описание основных типов открытых магнитных ловушек, используемых в ЭЦР источниках МЗИ для удержания плазмы, простого пробко-трона и ловушки со встречными полями Рассматриваются преимущества и недостатки каждой конфигурации

Основным преимуществом ловушки со встречными полями по сравнению с простым пробкотроном является подавление в ней МГД иеустойчи-востей плазмы, так как структура ее силовых линий образует конфигурацию магнитного поля с минимумом в центре ловушке К недостаткам же каспа следует отнести дополнительные потери плазмы через радиальную магнитную пробку, имеющую форму кольца, на периферии ловушки Эти потери приводят к повышению требуемой мощности накачки, необходимой для поддержания температуры электронов на заданном уровне Уменьшение этих потерь возможно при увеличении величины магнитного поля в радиальной пробке ловушки.

Здесь также приводится описание процесса удержания неравновесной плазмы ЭЦР разряда в магнитной ловушке Описывается роль самосогласованного амбиполярного потенциала в удержании плазмы Обсуждаются процессы и соотношения основных параметров, определяющие распределение потенциала в ловушке источника, приводятся его характерные профили

В разделе 1.2 описываются классический и квазигазодинамический реж1шы удержания неравновесной плазмы ЭЦР разряда в открытых магнитных ловушках Приводятся основные временные характеристики, соотношениями между которыми определяется режим удержания плазмы (для простоты выражения для них приведены для случая простой зеркальной магнитной ловушки) Это время кулоновского рассеяния электронов в конус потерь

1пЛ

время ухода ионов из ловушки в результате их собственного теплового движения

хт =ЬК/ГТ

и газодинамическое время жизни плазмы, которое для случая прямой зеркальной ловушки может быть записано следующим обраюм

---¿Я/Ж -

Здесь К. - пробочное отношение, Ь - длина ловушки, Уе - частота ку-лоновского рассеяния электронов, Ут = /М - тепловая скорость ионов, V\ — ^<г>-Те/М ионно-звуковая скорость, Т, и Те - температуры ионов и

электронов соответственно, М - масса иона, <г> - средний заряд ионов.

Характерные особенности классического режима удержания плазмы ЭЦР разряда в ловушке источника МЗИ описаны в разделе 1.2.1 Классический режим реализуется в случае не очень больших плотностей плазмы, что соответствует тому, что время кулоновского рассеяния электронов значительно больше газодинамического времени жизни плазмы в ловушке

с г

В случае такого режима удержания конус потерь электронов в пространстве скоростей пуст

В зависимости от соотношения параметров тс и тт при классическом режиме удержания может реалгаовываться различная структура амбипо-лярного потенциала В случае, когда тс > тт, будет формироваться амби-полярный потенциал с «горбиками» в области магнитных пробок, препятствующими уходу ионов В противном случае, когда тс < Тт , будет реали-

зовываться профиль потенциала, спадающий от центра ловушки к нулю на бесконечности, такая форма потенциала ускоряет уход ионов из ловушки В этом смысле классический режим можно разделить на два подрежима с различными характерными распределениями потенциала, которые, тем не менее, не имеют принципиальных отличий с точки зрения механизмов, определяющих удержание.

Также в данном разделе описан метод определения времени жизни электронов в ловушке при классическом режиме удержания в простейшем случае, когда учитывается только столкповительный механизм рассеяния электронов Оно равно те = тс = 1п К/(у'е1 + Уее) , где \>„ и уее - частоты электрон-ионного и электрон-электронного рассеяний Времена жизни ионои в этом случае точно могут быть описаны с помощью системы трансцендентных уравнении, решение которой оказывается очень сложным

В разделе 1.2.2 приводится описание квазигазодинамического режима удержания плазмы в ловушке Переход к нему от классического режима происходит при увеличении плотности плазмы (либо с понижением температуры электронов), что связано с увеличением частоты кулоновского рассеяния электронов в конус потерь Квазигазодинамический режим удержания неравновесной плазмы ЭЦР разряда, в отличие от классического, ранее подробно не исследовался Это связано с тем, что генерация многозарядных ионов в таком режиме на сегодняшний день была реализована только в условиях стендов, построенных в ИПФ РАН Переход от классического к ква-

зигазодинамическому режиму удержания плазмы в ловушке происходит при таких значениях плотности и температуры электроноз, когда их скорость заполнения конуса потерь в пространстве скоростей оказывается выше, чем скорость выноса плазмы из ловушки Т е выполняется условие

Хс < Xg В этом случае конус потерь оказывается заполненным, продольное относительно магнитного поля удержание электронов осуществляется амбиполярным потенциалом, а потери плазмы определяются газодинамическим выносом ионов с ионно-звуковой скоростью

Описывается метод расчета времени жизни плазмы при квазигазодинамическом режиме ее удержания для произвольной конфигурации осесим-метричной открытой магнитной ловушки. Показано, что временя жизни определяется только геометрией магнитной системы, температурой электронов и сортом рабочего газа. Подчеркивается перспективность создания ЭЦР источников МЗИ, использующих данный режим удержания плазмы, с высокой частотой СВЧ накачки и большой эффективной длиной ловушки

В разделе 1.23 проводится расчет границ в плоскости параметров Ме и Те, разделяющих различные режимы удержания плазмы в ловушке ЭЦР источника МЗИ Приводится результат расчета, когда эффективная длина ловушки составляет 30 см

В разделе 13 описывается теоретическая модель, построенная для численного анализа процессов многократной ионизации в плазме ЭЦР разряда в магнитной ловушке

Дат тая модель является нульмерной и основана на решении нестационарной системы дифференциальных уравнений иошоационного баланса Разработанная модель позволяет не только исследовать эффективность генерации МЗИ в плазме разряда на стационарной его стадии, но и описывать динамику развития ЭЦР пробоя в ловушке источника Для корректного описания перечисленных процессов было необходимо учесть основные эффекты, определяющие параметры плазмы на всех этапах развития разряда Начальная стадия пробоя, когда концентрация плазмы достаточно мала, может быть описана в рамках теории СВЧ пробоя разреженного газа в открытых осесимметричных магнтных ловушках в условиях циклотронного резонанса [24] В этом случае вид функции распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ) определяется эффектом суперадиабатического взаимодействия электронов с СВЧ волной [25] Этот эффект ограничивает максимально возможную энергию, которую может набрать изолированный электрон при ЭЦР нагреве в ловушке Реализующаяся в этом случае функция распределения существенно отличается от максвелловской При дальнейшем росте концентрации плазмы наступает момент, когда поглощаемой энергии накачки не хватает для поддержания вышеупомянутой ФРЭЭ при столь большом числе частиц Для дальнейшего описания процесса необходимо ввести уравнение баланса энергии для электронов При этом, в рамках

рассматриваемой модели, ФРЭЭ после ухода от суперадиабатического режима считалась максвелловской В модели учитывалась только ступенчатая ионизация электронным ударом Такие каналы ионизации, как ионизация через автоионизационное состояние и многократная ионизация одним электронным ударом, оже-ионизация и ионизация через «стряхивание» (зЬаке-оЯ) в расчетах не учитывались ввиду их сравнительно небольшого вклада в рассматриваемой области энергий электронов В расчетах не учитывались процессы, связанные с перезарядкой мно1 озарядных ионов на нейтральных атомах, т к во всем интересующем нас диапазоне параметров время перезарядки оказывается как минимум на порядок больше времени жизни ионов в ловушке Необходимо заметить, что расчеты выполнялись в предположении, что неустойчивости плазмы не играют существенной роли В рамках модели учитывалась лишь продольные потери плазмы вдоль силовых линий магнитного поля Поперечные потери относительно магнитного поля оказываются существенно меньше, что демонстрируют приведенные в разделе 1 3 оценки

В этом же разделе предлагается приближенный способ расчета времен жизни ионов при классическом режиме удержания плазмы, позволивший избежать решения трансцендентной системы уравнений, упомянутой выше В заключение раздела приводится полная система уравнений, использовавшаяся для моделирования процессов, протекающих в плазме ЭЦР разряда

В разделе 1.4 описывается метод диагностики концентрации и температуры электронов по измеренным в эксперименте токам ионов различных зарядностей, экстрагируемых из плазмы разряда Данный метод основан на поиске решения системы уравнений, описанной в разделе 1 3, в стационарном режиме при заданных величинах потоков всех ионных компонент из ловушки источника Использование теоретических расчетов для диагностики параметров плазмы является весьма интересным, так как является бесконтактным методом. Этот факт является особенно ценным, так как введение различных средств диагностики в плазму в ловушке источника влияет на ее удержание, а следовательно, и на ее параметры

В главе 2 описываются принцип построения экспериментальных установок и особенности функционирования основных систем, представлена применяемая в работе диагностическая аппаратура

В разделе 2.1 приводится описание экспериментального стенда БМК 37, на котором проводились исследования с ловушкой со встречными полями и СВЧ накачкой на частоте 37,5 ГГц Представлена схема установки

Описываются используемые гиротрон БАЛЬЗАМ-ЗС и система ввода СВЧ излучения в разрядную камеру Использовавшийся гиротрон имел частоту излучения 37,5 ГГц и мощность до 100 кВт при длительности импульса до 1,5 мс В стенде БМГБ 37 реализована квазиоптическая схема

ввода СВЧ излучения в магнитную ловушку вдоль магнитного поля системы

Рассмотрены магнитная ловушка, использовавшаяся для удержания плазмы, вакуумная система стенда и система напуска нейтрального рабочего газа в ловушку, разрядные камеры, которые использовались в эксперименте Представлены результаты измерений и теоретических расчетов распределений магнитного поля в ловушках Приведены характеристики вакуумной системы откачки стенда Описан принцип работы и основные параметры системы напуска рабочего газа в ловушку источника

Описаны системы экстракции и диагностики ионного пучка. В проведенных экспериментах использовалась традиционная двухэлектродная система экстракции, состоящая из плазменного электрода и пуллера Электроды имели шфсовскую геометрию Максимальное напряжение, которое могло прикладываться между ними, составляло 55 кВ Для измерения тока экстрагируемого ионного пучка на оси магнитной ловушки устанавливался цилиндр Фарадея с большим входным отверстием (35 мм), перехватывающим весь ионный пучок, прошедший через пуллер Для спектрального анализа экстрагируемого пучка положительных ионов в эксперименте использовался магнитостатический анализатор, разделяющий ионы по отношению масса/заряд

Описана система синхронизации исполнительных устройств стенда SMS 37.

В разделе 2.2 приведено описание основных узлов стенда SMIS 75.

Представлены основш>те характеристики гиротрона и системы ввода СВЧ излучения в разрядную камеру В экспериментах использовался гиро-трон с частотой излучения 75 ГГц, мощностью до 200 кВт и длительностью импульса до 150 мкс Фокусировка СВЧ пучка осуществлялась с помощью диэлектрической линзы Плотность СВЧ мощности в фокальной перетяжке, которая располагалась в зоне ЭЦР, достигала 100 кВт/см2

Описывается магнитная ловушка, вакуумная система стенда и система напуска рабочего газа. Эксперименты на установке SMIS 75 проводились с использованием простой зеркальной ловушки с пробочным отношением 3,7 Резонансная напряженность магнитного поля для частоты СВЧ излучения 75 ГГц составляет 2,7 Тл, максимально возможное магнитное поле в пробке ловушки достигало 5 Тл Эксперименты проводились при различных давлениях газа в разрядной камере в диапазоне от 3 10"5 до 10"2 Topp Откачка вакуумного объема осуществлялось одним насосом с производительностью 500 л/с В отличие от стенда SMIS 37, в данном случае была

реализована схема непрерывного напуска рабочего газа в разрядную камеру

Описаны система экстракции и диагностики ионного пучка на стенде SMIS 75 Для формирования пучка ионов, образованных в плазме, использовался двухэлектродный сеточный экстрактор, расстояние между сетками

составляло 22 мм, подаваемое высокое напряжение могло достигать 20 кВ Для анализа ионного пучка в экспериментах использовался передвижной цилиндр Фарадея и времяпролетный анализатор ионов В разделе приведено подробное их описание

Система синхронизации устройств была аналогична системе, использованной на стенде SM1S 37

В главе 3 описаны исследования особенностей формирования многозарядных ионов тяжелых газов в плазме ЭЦР разряда, удерживаемой в ловушке со встречными полями, приводятся результаты экспериментов по извлечению пучка ионов Материалы, изложенные в третьей главе, опубликованы в [ЗА, 4А, 6А-9А, 11А-13А, 15А-19А].

В разделе 3.1 приводятся результаты исследований, демонстрирующие преимущества каспа перед простым пробкотроном в плане стабилизации МГД неустойчивостей неравновесной плазмы ЭЦР разряда в тяжелых газах Проводится исследование влияния неустойчивостей в простой магнитной ловушке на генерацию МЗИ

В разделе 3.1.1 описываются эксперименты с простой магнитной ловушкой, демонстрирующие наличие периодических выбросов плазмы как целого на стенки вакуумной камеры. Исследования проводились с помощью регистрации динамики свечения плазмы в оптическом диапазоне Данные эксперименты позволили получить информацию о развитии разряда и об изменяющейся форме плазменного образования Наблюдение за разрядом осуществлялось вдоль направления, перпендикулярного оси системы Исследование динамики свечения плазмы проводилось в режиме временной развертки изображения Представлены типичные фотохронограммы Анализ получеш1ых пространственно-временных характеристик свечения разряда и осциллограмм полного тока экстракции и пучка ионов показывает, что светящаяся плазма в течение некоторого времени (в зависимости от условий эксперимента до 150 мкс) располагается на оси магнитной системы в центре камеры и имеет диаметр около 1 см, а затем быстро (в течение примерно десяти микросекунд) смещается на периферию При этом ток многозарядных ионов резко падает Оценки инкремента развития же-лобковой МГД неустойчивости для структуры магнитного поля, соответствующей условиям эксперимента, для силыгонеравновесной плазмы Те » Т, совпадают с характерными временами ухода плазмы на стенки камеры, полученные в эксперименте Этот факт подтверждает, что наблюдаемая нестабильность плазменного шнура есть следствие развития в плазме МГД неустойчивостей

В разделе 3.1.2 более подробно описываются достоинства и недостатки ловушки со встречными полями Обсуждаются возможности минимизации роли недостатков данной конфигурации магнитной ловушки

В лопушке касп магнитное поле нарастает от центра системы к перифе-pim (конфигурация магнитного поля с «mm В»), что обеспечивает МГД

устойчивость системы При достаточно высоких магнитных полях возможно, как и в классических источниках МЗИ с «минимумом В», создание замкнутой поверхности ЭЦР, не касающейся стенок вакуумной камеры Основным недостатком каспа являются потери плазмы в радиальном направлении из центральной части ловушки Однако они могут быть скомпенсированы большей мощностью СВЧ накачки, что при наличии современных гиротронов не составляет труда

В рассматриваемом разделе приводятся результаты первых экспериментов с ловушкой со встречными полями, собранной на базе разрядной камеры и катушек магнитного поля, использовавшихся для создания простой магнитной ловушки Продемонстрирована стабильность тока экстрагируемого ионного пучка в случае использования каспа Приведены осциллограммы токов пучка, полученные при одинаковых условиях эксперимента, за исключением направления тока в одной из катушек, в случаях каспа и простого пробкотрона Из сравнения осциллограмм хорошо видно отсутствие неустойчивостей при использовании каспа

Таким образом, на этом этапе была показана возможность поддержания ЭЦР разряда в ловушке со встречными полями, определена величина полного тока экстрагируемого из такой системы ионного пучка, продемонстрировано наличие МЗИ в плазме разряда, наглядно продемонстрирована стабильность плазмы в каспе.

В разделе 3.2 приводятся результаты численных оценок возможности генерации МЗИ в ловушке со встречными полями с накачкой излучением миллиметрового диапазона длин волн, выполненных на основе теоретической модели, описанной в разделе 1 3 Расчеты, описываемые в разделе, проводились для параметров СВЧ накачки и магнитной системы, соответствующих условиям экспериментального стенда БМК 37 Представленные результаты численного моделирования позволяют рассчитывать на экспериментальную демонстрацию эффективной генерации МЗИ (со средним зарядом 2-3, для разряда в азоте) в такой системе в условиях стенда БМК 37 и получение высокой плотности тока экстрагируемого ионного пучка, более чем на порядок превосходящей соответствующую величину для классических источников МЗИ

В разделе 3.3 приведет! результаты экспериментальных исследований характеристик ЭЦР источника МЗИ на основе ловушки со встречными полями с накачкой СВЧ излучением гиротрона с частотой 37,5 ГТц и мощностью 100 кВт

В разделе 3.3.1 описаны эксперименты, направленные на поиск оптимальных условий экстракции ионов из плазмы ЭЦР разряда Были измерены токи ионов, попавших на коллектор цилиндра Фарадея и на пуллер Эксперименты показали, что данные токи были очень стабильными, колебания их величины в течение импульса не превышали 3-5 % от их среднего значения, кроме того осциллограммы токов имели высокую повторяемость

от выстрела к выстрелу Были получены зависимости токов на цилиндр Фа-радея и пуллер от напряжения экстракции при различных расстояниях от пробки магнитной ловушки до системы экстракниц Максимальная плотность полного тока ионного пучка, измеренного цилиндром Фарадея, в проведенных экспериментах достигала величин порядка 650 мА/см2. Отметим, что плотность тока пучка в случае классических источников многозарядных ионов минимум на порядок ниже.

Для определения качества ионного пучка при напряжении экстракции 30 кВ были проведены измерения его эмиттанса в плоскости, расположенной на расстоянии 10 см от выхода системы экстракции Эксперименты проводились в условиях, когда в качестве рабочего газа использовался азот. Эмиттанс измерялся известным методом с помощью отверстия малого диаметра [26] Измерения показали, что нормализованные эмитгансы в горизонтальной и вертикальной плоскостях равны соответственно ехн = 0,19 и £уН = 0,15 к мм мрад, что на сегодняшний день соответствует лучшим достижениям для ЭЦР источников МЗИ

Результаты измерении тока и эмиттанса экстрагируемого ионного пучка из плотной плазмы ЭЦР разряда, удерживаемой в ловушке со встречными полями, и поддерживаемой мощным СВЧ излучением с частотой 37,5 ГТц, в совокупности определяют яркость полученного пучка Большая величина тока при высоком эмитгансе обеспечивает рекордную на сегодняшний день яркость полученного пучка для ЭЦР источников многоза-рядкых ионов, на порядок превосходящую лучшие мировые результаты [27, 28]

В разделе 3.3.2 были проведены исследования состава ионного пучка Эксперименты проводились для различных сортов рабочих газов, таких как гелий, азот, аргон и ксенон. Полученные результаты демонстрируют стабильность токов различных ионов Максимальная зарядность ионов, полученная в экспериментах с азотом, составила +3, с аргоном и ксеноном достигала +6

Для наглядной демонстрации реализации в экспериментах именно квазигазодинамического режима удержания плазмы были проведены исследования с более тяжелыми газами и различными эффективными длинами ловушек. Было показано, что средний заряд ионов в пучках значительно превышает единицу, и оказывается тем выше, чем больше масса рабочего газа Для определения зависимости среднего заряда ионов от длины магнитной ловушки были проведены измерения параметров плазмы при различных ее значениях Продемонстрировано повышение среднего заряда ионов в экстрагируемом пучке за счет повышения их времеш! жизни в ловушке, которое в случае квазигазодннамического режима пропорционально эффективной длине ловушки

Таким образом, полученные результаты наглядно демонстрируют факт реализации именно квазигазодинамического режима удержат« плазмы в

ловушке со встречными полями в ходе проведенных экспериментов Представленные зависимости подтверждают перспективность использования таких ловушек с большими эффективными длинами и высокой частотой СВЧ накачки для создания сильноточных ЭЦР источников многозарядных ионов тяжелых элементов с высокой яркостью экстрагируемого пучка

В разделе 3.3.3 исследуется возможность повышения тока иона с максимальной полученной в эксперименте зарядностью. Анализ проводился в случае, когда в качестве рабочего газа использовался азот, т е. исследовалось поведение тока иона Приведены зависимости тока иона М3+ от напряжения экстракции, СВЧ мощности, вводимой в разрядную камеру, и плотности нейтрального газа в ловушке к моменту начала СВЧ импульса

Растущая зависимость ионного тока от напряжения свидетельствует об уменьшение угла расходимости ионного пучка при увеличении напряжения экстракции

Полученная зависимость от мощности СВЧ накачки насыщается в области больших мощностей, чго подтверждает тот факт, что температура электронов в эксперименте была близка к оптимальной для использовавшейся конфигурации магнитной ловушки

Зависимость тока ионов от давления нейтрального газа в разрядной камере имеет ярко выраженный максимум. Когда к моменту СВЧ импульса гиротрона в ловушку поступает небольшое количество нейтрального газа, создается плазма небольшой концентрации, что существенно снижает количество эффективных ионизирующих столкновений за время жизни С ростом концентрации эффективность ионизации при квазигазодинамическом режиме удержания растет, что и приводит к росту тока иона 1Ч3+ В случае же больших напусков газа концентрация плазмы может превышать критическое значение В этом случае существенным будет влияние рефракции, за счет которой большая часть СВЧ энергии не будет доходить до зоны ЭЦР, что снижает эффективность поглощения, приводит к понижению температуры электронов и как следствие существенно снижает средний заряд ионов в плазме

В разделе 3.4 обсуждаются полученные в главе 3 результы Приводится ряд общих выводов, предлагаются варианты развития ЭЦР источников на базе ловушки со встречными полями

В разделе 3.4.1 формулируются законы подобия для газодинамических ЭЦР источников На основе теоретических и экспериментальных результатов предлагаются качественные зависимости эффективности ионизации частиц в ловушке источника от частоты СВЧ накачки и длины ловушки Показано, что параметр удержания плазмы пропорционален квадрату частоты СВЧ накачки и линейно растет с увеличением длины ловушки Также приводятся рассчитанные с помощью теоретической модели, описанной в разделе 1 3, зависимости среднего заряда ионов от мощности и частоты накачки в широком их диапазоне при разных значениях длины ловушки. Из

приведенных результатов наглядно видна перспективность использования газодинамических ЭЦР источников с высокой частотой СВЧ накачки, построенных на основе МГД-стабильных осесимметричных магнитных ловушек для генерации пучков ионов с высоким током и очень высокой яркостью.

В разделе 3.4.2 рассматриваются возможные перспективы развития газодинамических ЭЦР источников на базе ловушки со встречными полями Приведен расчет эффективности формирования многозарядных ионов азота в ЭЦР источнике с применением гиротрона с частой изучения 75 ГТц и плотностью потока энергии в СВЧ пучке до 100 кВт/см2, который планируется использовать на стенде SMIS 75. Такой гиротрон позволит создавать и поддерживать плазму с плотностью 6 10!3 см"3, температурой электронов не ниже 100 эВ. При этом величина параметра удержания достигнет 109 с см"3 и более Максимум распределения ионов азота по кратностям ионизации будет находиться на ионах с кратностями ионизации +3 и +4 Отмечается, что ловушка касп позволяет одновременно использовать несколько экстрагирующих систем, расположенных вдоль радиальной пробки и, следовательно, получать много ионных пучков на одном источнике, что выглядит привлекательным для технологии

В разделе 3.5 делается заключение по результатам, представленным в главе 3, в которой экспериментально продемонстрирована возможность создания ЭЦР источника МЗИ с высоким током на основе ловушки касп в условиях мощного нагрева импульсным излучением гиротрона миллиметрового диапазона длин волн Впервые реализован квазигазодинамический режим удержания многокомпонентной плазмы в ловушке ЭЦР источника МЗИ с касповой конфигурацией магнитного поля.

В главе 4 описываются исследования, посвященные проблеме быстрого пробоя газа в ловушке ЭЦР источника Целью данных исследований являлась разработка короткоимпульсного (длительность импульса менее 100 мкс) ЭЦР источника МЗИ. Приводятся результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния частоты СВЧ накачки на скорость развития разряда Материалы, изложенные в четвертой главе, опубликованы в [5А]

В разделе 4.1 описывается постановка задачи и актуальность исследований

Интерес к разработке короткоимпульсного ЭЦР источника многозарядных ионов связан с тем, что для реализация принятой европейской программы изучения осцилляций нейтрино «Beta Beam» [16] (в рамках проекта EURISOL) необходимо создание мощных короткоимпульсных (о г 20 до 100 мкс) пучков многозарядных ионов радиоактивных изотопов гелия 6Не. В связи с очень высокой стоимостью рассматриваемого изотопа гелия и ограниченной возможностью его производства источник таких ионных пучков должен быть принципиально импульсным и обеспечивать высокую эффек-

гавность использования радиоактивных частиц Применение современных классических ЭЦР источников ионов в данном случае оказывается нецелесообразно 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

В разделе 4.2 проводится теоретическое исследования влияния параметров СВЧ накачки на время развития пробоя газа в ловушке ЭЦР источника МЗИ Показано, что наименьшего времени выхода параметров плазмы на стационар можно добиться при реализации квазигазодинамического режима удержания плазмы в ловушке источника. Приводятся результаты расчетов динамики ЭЦР пробоя для различных параметров накачки Продемонстрировано существенное сокращение времени развития разряда при использовании более высоких частот и мощностей Результаты расчетов наглядно демонстрируют перспективность использования квазигазодинамического ЭЦР источника для генерации короткоимпульсных пучков многозарядных ионов.

В разделе 4.3 описаны результаты экспериментов, направленных на уменьшение времени развития разряда в ловушке со встречными полями в условиях стенда при частоте СВЧ излучения накачки 37,5 ГГц Представлены типичные осциллограммы тока пучка и распределения ионов гелия по кратностям ионизации в нем Продемонстрирована возможность выхода параметров плазмы на стационарный уровень за 15 мкс в ловушке со встречными полями в условиях стенда SMIS при частоте накачки 37,5 ГГц

В разделе 4.4 описаны результаты экспериментов по достижению минимального времени развития разряда в простой магнитной ловушке при частоте СВЧ излучения накачки 75 ГГц Продемонстрировано существенное увеличение среднего заряда ионов гелия за счет увеличения частоты накачки при сохранении времени выхода параметров плазмы на стационар Представлены результаты исследований зависимости момента возникновения пробоя от начального давления нейтрального газа в ловушке Показана возможность достижения времени развития разряда менее 5 мкс за счет существенного увеличения давления в разрядной камере до значений порядка 10~2 Topp, но при этом выход на стационар с высокой степенью ионизации газа реализовываться не может

В разделе 4.5 обсуждаются результаты, описанные в разделах 4 3 и 4.4 Показано соответствие теоретических представлений о влиянии основных параметров на динамику пробоя результатам экспериментов Продемонстрировано то, что время выхода параметров плазмы на стационар определяются главным образом ее временем жизни и слабо зависит от других параметров

В разделе 4.6 на основании полученных выше результатов предлагается схема короткоимпульсного газодинамического ЭЦР источ1шка МЗИ, удовлетворяющего требованиям проекта «Beta Beam» В рамках данной

этапе представляется весьма затруднительным из-за необходимости созда-1шя очень сильных полей при сложной их структуре, необходимой для борьбы с МГД неустойчивостями Действительно, условие гирорезонанса треб>ет величины магнитного поля более 2 Тл при частотах накачки выше 30 ГГц В связи с этим, нагрузка на элементы магнитной системы становится очень велика, поэтому ловушки с неосесимметричной конфигурацией магнитного поля оказываются очень дорогими Следовательно проблема поиска более простых осесимметричных магнитных ловушек для удержания плазмы в ЭЦР источниках МЗИ становится особенно актуальной. Простейшей ловушкой, удовлетворяющей этим требованиям, является ловушка со встречными полями или касп [21]

Целью предлагаемой диссертационной работы являлось изучение квазигазодинамического режима удержания неравновесной плазмы тяжелых газов в открытых магнитных ловушках в условиях мощного ЭЦР нагрева излучением миллиметрового диапазона длин волн Поиск путей увеличения заряда ионов в плазме в таких условиях, анализ возможности экстракции из плазмы ионпою пучка с высоким током Исследования перспектив применения осесимметричных МГД-стабильных магнитных ловушек для удержания плазмы в ЭЦР источнике МЗИ.

Научная нопизна.

В исследованиях, проведенных в диссертации, СВЧ излучение гиро-тронов миллиметрового диапазона длин волн, использовавшееся в качестве СВЧ накачки в данной работе, позволяло создавать плазму с концентрацией свыше 1013 см"3, что существенно выше, чем в классических ЭЦР источниках МЗИ. При этом температура э лек фонов достигала нескольких сотен эВ Изучение процесса генерации МЗИ в таких условиях проводилась только в ИПФ РАН В основной части проведенных исследований для удержания плазмы использовалась ловушка со встречными полями, которая обеспечивала стабилизацию МГД возмущений Развитие ЭЦР разряда в тяжелых газах в таких ловушках с накачкой мощным СВЧ излучением гиротронов миллиметрового диапазона длин волн не исследовалось ранее. В ходе работы впервые был подробно исследован квазигазодинамический режим удержания неравновесной плазмы ЭЦР разряда в тяжелых газах в ловушках со встречными полями Использование такого режима может быть положено в основу нового типа импульсных ЭЦР источников многозарядпых ионов, которые способны создавать мощные потоки ионов с эффективным током более 1 А при высоком их среднем заряде

В рамках данной диссертационной работы впервые был исследован ЭЦР разряд в тяжелых газах, поддерживаемый СВЧ излучением с частотой 75 ГГц Проведенные исследования продемонстрировали перспективность повышения частоты СВЧ накачки для увеличения тока и среднего заряда ионов в экстрагируемом пучке ЭЦР источников МЗИ, использующих ква-

зигазодинамический режим удержания плазмы (газодинамические ЭЦР источники)

Реализация квазигазодинамического режима удержания плазмы в ловушке источника МЗИ позволила достичь рекордно малых для ЭЦР источников времен выхода параметров плазмы разряда на стационар - менее 15 мкс, тогда как в традиционных ЭЦР источниках это время составляет не менее 100 мкс Полученные результаты открывают возможность создания короткоимпульсных ЭЦР источников МЗИ, необходимых для ряда крупных проектов [22,23]

На основе полученных данных предложен новый тип импульсных ЭЦР источников многозарядных ионов - газодинамические сильноточные ЭЦР источники. Создание интенсивных потоков плазмы в газодинамических ЭЦР источниках дает уникальную возможность экстрагировать пучки многозарядных ионов с высоким током и высокой яркостью

Научная и практическая значимость.

Как уже говорилось выше, успехи последних лет в ядерной физике связывают именно с широким применением ЭЦР источников многозарядных ионов для инжекции ионов в циклотронные и линейные ускорители Исследования таких источников представляются актуальными для институтов, эксплуатирующих ускорители тяжелых ионов Также исследования продемонстрировали перспективность использования газодинамического ЭЦР источника МЗИ для генерации короткоимпульсных пучков ионов (20100 мкс), производство которых требуется в рамках проекта «Beta Beam» и исследованиях по термоядерному синтезу на тяжелых ионах. Демонстрация возможности формирования широких пучков многозарядных ионов с большим током делает возможным использование результатов диссертации в области технологии обработки поверхностей энергичными ионами и в экспериментах по программе термоядерного синтеза па тяжелых ионах. Эти данные, полученные в диссертации, предполагав! ся использовать в Lawrence Berkeley National Laboratory (Беркли, США).

Данные диссертации использовались в работе Объединенного института ядерных исследований (Дубна, Россия), Лаборатории субатомной физики и космологии (Гренобль, Франция), GSI (Дармштадт, Германия)

Положения, выносимые на защиту.

1. Использование плотной плазмы ЭЦР разряда, удерживаемой з квазигазодинамическом режиме в магнитной ловушке со встречными полями и нагреваемой мощным СВЧ излучением миллиметрового диапазона длин волн, позволяет создавать стабильные потоки многозарядных ионов с пло г-ностыо до нескольких ампер через квадратный сантиметр, что обеспечивает возможность формирования ионных пучков с высоким током и яркостью

[8] БочароЕ В Н , Завадский Н А , Киселев AB и др Генерирование плазмы

в открьпой ловушке на ЭЦР при осевом распространении волны // Вопросы атомной науки и техники Сер Термоядерный синтез 1985 Вып 3 С 64-70

[9] Лебедев А Н, Шальнов А В Основы физики и техники ускорителей // М Энергоатомиздат 1991 528 с

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

[11] Geller R Electron cyclotron resonance ion sources and ECR plasmas // Institute of Physics. Bristol 1996

[12] Geller R ECRIS - closing remarks // Journal de Physique 1989 Colloque CI Suppl N 1. V 50 P 887-892

[13] Geller R., Jacquot В, Sortais P. The upgrading of the multiply charged heavy-ion source Mimmafios // Nuclear Instruments and Methods m Physics Research 1986 V A243 P 244-254

[14] Golubev S V., Zonn V.G , Zonna T N., Razin S V // Proc Int. Workshop on Strong Microwaves m Plasmas N.Novgorod 1991. Vl,p 485-489

[15] Golubev S V , Zonn V G , Razm S V // Proc Int Workshop on Strong Microwaves in Plasmas, N Novgorod, 1996. v. 1, p 363

[16] http //beta-beam web cern ch/beta-beam/

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

[18]Boulyetal //Rev Sei lnstrum,Vol 73,№2,2002,p 528

[19] Zhang Z M , Zhao H W., Sun L T et al // Rev Sei Instrum V 77, No 3, part 2,03A308,2006.

[20] Gammo S , Ciavola G , Celona L et al // Rev Sei lustrum 72(11), 2001, 4090

[21] Hames M G //Nucl Fusion, 1977, v 17, p 811

[22] Lau С , Cheikh M , Essabaa S , Artaner T et al // Rev Sei Instrum V. 77, No 3, part 2,03A706, 2006

[23] Davidson R.C., Friedman A, Celata С M , Welch D R, et al // Laser and Particle Beams 20,377,2002.

[24] Суворов E В , Токман M Д И Физика плазмы, т 15, № 8, стр 540, 1989

[25] М A Lieberman, A J Lichenberg //Plasma Phys 1973, v 15, p 125

[26] ixijcune С , Au'bert J // Applied Charged Particle Optics (ed. by A Septier) Academic Press, London, 1980, v 13A, p 159-259

[27] Я Браун, «Физика и технология источников ионов», Мир, 1998

[38] Kwan J W // IEEE Transactions on Plasma Scicnce, v 33, No 6, p 1901, 2005

Список публикаций по теме диссертации

[1А] V.E Sernenov, V A Skalyga, V G Zorin Scaling for ECR Sources of Mul-ticharged Ions with Pumping at Frequencies from 10 to 100 GHz // Review of Scientific Instruments, v 73, n2, Part II, p 635-637,2002 [2A] А В Водопьянов, С В Голубев, В Г Зорнн, 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 [ЗА] S V Golubev, S.V Razin, А 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, v75, n5, p 16751677,2004.

[4A] S V Golubev, IV Izotov, S V. Razm, V A. Skalyga, A.V Vodopyanov,

V G Zorin Multicharged Ion Generation in Plasma Created by Millimeter Waves and Confined in a CUSP Magnetic Trap // Transactions of Fusion Science and Technology, v 47, n IT, fusteB, p 345-347, 2005.

[5A] V. Skalyga, V. Zonn, V Izotov, A. Sidorov. T Lamy, P. Sortais, T Thuillier. Gas Breakdown m ECR ion Source // Review of Scientific Instruments v 77, n3, p 03A325-1 - 03A325-3,2006 [6A] V. Skalyga, V Zonn, I Izotov, S Razm, A Sidorov, A Bohanov Gasdy-namic ECR Source of Multicharged Ions Based on a Cusp Magnetic Trap // Plasma Sources Science and Technology, 15, p. 727-734,2006 [7А] А Ф. Боханов, В Г. Зорин, И В Изотов, С.В Разин, А В Сидоров, В А Скалыга Создание плотных потоков многозарядных ионов из ЭЦР источника на базе ловушки со встречными полями с квазигазодинамическим режимом удержания плазмы // Физика плазмы, т 33, № 5, с. 385-394,2007

[8А] S Golubev, I Izotov, S Razm, A. Sidorov, V Skalyga, A Vodopyanov,

V Zonn, A Bokhanov High Current ECR Source of Multicharged Ion Beams // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, v 256, p 537-542,2007.

[9A] A V Vodopyanov, S V Golubev, IV Izotov, V I. Khizhnyak D A Mans-feld, V A Skalyga and V G Zonn ECR Plasma With 75 GHz Pumping // High Energy Physics and Nuclear Physics, 2007 [10A]VE Semenov, VA Skalyga, VG Zonn Generation of multiple-charge ions in an ECR discharge m the quasi-gasdynamic confinement regime // Proceedmgs of 15''! International Workshop on ECR Ion Sources (ECRIS'02), June 12-14,2002 (Finland) p 196-199 [11 A] S Golubev, D Mansfeld, SV Razm, V Skalyga, A Vodopyanov,

V Zonn, R Geller, T Lamy, P Sortais, T Thuillier, V Murugov,

A Seruk, A Kravchenko, D Litvin, V Misko, S Petrov Progress Report of Investigations on Gyrotron ECR Ion Source SMIS 37 // Proc of the 15th International Workshop on ECR Ion Sources (ECRIS'02) Jy-vaskyla , Finland, June 12 - 14,2002, p 21-24 [12A] S.V. Golubev, S V Razm, VA Skalyga, A V Vodopyanov, V.G Zorrn, T. Lamy,P Sortais Applications of Dense Plasma of ECR Discharge Sustained by Powerful Millimeter Wave Radiation // Proc of 12th Jomt Workshop on Electron Cyclotron Emission and Electron Cyclotron Resonance Heating Aix-en-Provence, France, May 13-16, 2002, p 353-358 [13A] S Golubev, D Mansfeld, S V. Razm, V Skalyga, A Vodopyanov, V. Zorrn, V Murugov, A Semk, A. Kravchenko, D. Litvin, V. Misko, S Petrov, R Gcller, T Lamy, P. Sortais, T Thuillier ECR Ion Sources Recent Developments // Proceedmgs of the 5-th International Workshop "Strong Microwaves in Plasmas" Ed by A G Litvak Nizhny Novgorod, Russia, 2003, v. 2, p 618-630 [14A] В А Скалыга, В Г Зорин. Определение параметров плазмы в ловушке ЭЦР источника многозарядных ионов по характеристикам экстрагируемого ионного пучка // Сборник докладов второй научно-технической конференции «молодежь в науке» 12-14 ноября 2003, РФЯЦ-ВНИИЭФ, г Саров. С. 637-640. [15А]АВ 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 [16А] V Skalyga, V Zonn. Multicharged Ion Generation m Plasma Confined m a Cusp Magnetic Trap at Quasigasdynamic Regime // Proceedmgs of the 16th International Workshop on ECR Ion Sources "ECRIS'04" Berkeley, California, USA, 26-30 September, 2004 p 112-115 [17A]V. Zonn, S Golubev, S Razin, A Vodopyanov, V Skalyga, I. Izotov, A Sidorov, A Bolianov ECR ion source with quasi-gasdynamic plasma confinement regime // Proceedings of the VI international workshop "Strong microwaves m plasmas" Russia, July 25 — August 1,2005 2006 [18A] S Golubev, A Bokhanov, I Izotov, S Razin, A. Sidorov, V Skalyga, A Vodopyanov and V Zonn Multicharged ion formation m plasma of electron cyclotron resonance discharge // Proceedmgs of 13th International Congress on Plasma Physics (ICPP'06), May 22-26, 2006 (Kiev), D113p

[19A] S Golubev, I Izotov, S Razm, A Sidorov, V Skalyga, A Vodopyanov, V Zonn, A Bokhanov Quasi-Gasdynamic ECR Sources of Multicharged Ions // Proceedmgs of The 6th International Workshop "Microwave discharges Fundamentals and Applications", September 11-15,2006, Zvemgorod, Russia, p 205-210

Вадим Александрович Скалыга

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЦР ИСТОЧНИКОВ

МНОГОЗАРЯДНЫХ ИОНОВ С КВАЗИГАЗОДИНАМИЧЕСКИМ РЕЖИМОМ УДЕРЖАНИЯ ПЛАЗМЫ В ОТКРЫТЫХ МАГНИТНЫХ ЛОВУШКАХ

Автореферат

Подписано к печати 6 04 2007 г Формат 60 х 90 '/16 Бумага офсетная № 1 Уел печ л 1,5 Тираж!00экз Заказ№35(2007)

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

Глава 1. Удержание неравновесной плазмы ЭЦР разряда в открытых магнитных ловушках.

1.1. Введение.

1.2. Режимы удержания неравновесной плазмы ЭЦР разряда в открытых магнитных ловушках.

1.2.1. Классический режим удержания плазмы.

1.2.2. Квазигазодинамический режим удержания плазмы.

1.2.3. Определение границ режимов удержания плазмы.

1.3. Модель численного анализа процессов многократной ионизации в плазме ЭЦР разряда в магнитной ловушке.

1.4. Метод определения температуры и концентрации электронов в плазме по экспериментально измеренным величинам плотностей потоков ионов всех зарядностей через пробки ловушки.

Глава 2. Описание экспериментальных установок и методов диагностики.

2.1. Экспериментальная установка 8М18 37.

2.2. Экспериментальная установка 8М18 75.

Глава 3. Газодинамический ЭЦР источник многозарядных ионов на основе ЭЦР разряда в ловушке со встречными полями.

3.1. Анализ влияния МГД неустойчивости плазмы на генерацию многозарядных ионов.

3.1.1. МГД неустойчивость плазмы ЭЦР разряда в простом пробкотроне и анализ ее влияния на генерацию многозарядных ионов.

3.1.2. МГД стабильность плазмы ЭЦР разряда в каспе и возможность генерации многозарядных ионов.

3.2. Оценки возможности генерации многозарядных ионов в ловушке со встречными полями с накачкой излучением миллиметрового диапазона длин волн.

3.3. Экспериментальное исследование характеристик ЭЦР источника ионов на основе ловушки со встречными полями.

3.3.1. Формирование пучка ионов из плотной плазмы ЭЦР разряда в ловушке со встречными полями.

3.3.2. Исследование спектрального состава ионного пучка.

3.3.3. Оптимизация условий эксперимента для генерации многозарядных ионов.

3.4. Обсуждение.

3.4.1. Частотный скейлинг для газодинамических ЭЦР источников многозарядных ионов.

3.4.2. Перспективы развития газодинамических ЭЦР источников на основе ловушки со встречными полями.

СВЧ разряд в магнитном поле в условиях электронного циклотронного резонанса (ЭЦР) уже давно привлекает к себе внимание исследователей. Первоначально изучение ЭЦР разряда было связано, главным образом, с экспериментами в легких газах, проводимыми в рамках программы по управляемому термоядерному синтезу (см., например, [1-8]). В дальнейшем ЭЦР разряд в открытых магнитных ловушках стал использоваться также в других областях науки и техники. Например, в ядерной физике, где на базе ЭЦР разряда в тяжелых газах созданы эффективные источники многозарядных ионов. Требования к этим источникам постоянно возрастают: необходимо повышать как заряд ионов д (поскольку энергия разогнанных заряженных частиц в циклотронном ускорителе пропорциональна q [9, 10]), так и интенсивность ионных пучков для увеличения вероятности наблюдения реакции. Именно источники многозарядных ионов (источники МЗИ) на основе ЭЦР разряда в магнитной ловушке считаются в настоящее время наиболее перспективными в этом плане [10,11]. Такие устройства позволяют одновременно: поддерживать электронную температуру плазмы на высоком уровне, необходимом для многократной ионизации газа и достаточно долго удерживать плазму для обеспечения глубокой обдирки ионов. Основные потери плазмы связаны с ее выносом через магнитные пробки ловушки, что позволяет с помощью традиционных систем экстракции формировать качественные интенсивные ионные пучки. В настоящее время развитие источников многозарядных ионов во многом определяет развитие экспериментальной ядерной физики.

Один из путей совершенствования ЭЦР источников МЗИ связан с повышением частоты и мощности СВЧ накачки. Это стало очевидным после того, как в работах [12,13] экспериментально было продемонстрировано значительное увеличение выхода многозарядных ионов из ЭЦР источника при изменении частоты греющего СВЧ излучения с 10 до 18 ГГц - ток ионов со средним по распределению зарядом увеличился пропорционально квадрату частоты накачки. Это связано с тем, что в ЭЦР разряде предельно достижимая плотность плазмы определяется частотой СВЧ излучения, что объясняется тем, что при приближении ее концентрации к критическому значению эффективность нагрева резко падает. В связи с перспективностью повышения частоты накачки, исследования СВЧ разряда в магнитном поле, поддерживаемого мощным излучением гиротронов с частотой свыше 30 ГГц, представляются необходимыми и своевременными.

Уже первые эксперименты, проведенные в ИПФ РАН, с использованием мощного СВЧ излучения гиротрона на частоте 37,5 ГГц [14] подтвердили сильную зависимость тока ионов от частоты. Причем, в ходе этих исследований экспериментально наблюдался принципиально другой характер удержания плазмы в ловушке, отличный, от используемого в остальных современных ЭЦР источниках. При достаточно высокой плотности плазмы может реализовываться так называемый квазигазодинамический режим удержания [15], время жизни плазмы в котором мало и не зависит от ее концентрации. Несмотря на небольшое время жизни плазмы в ловушке, за счет высокой плотности плазмы параметр ее удержания (произведение концентрации плазмы на время ее жизни) может достигать уровня достаточного для эффективной генерации МЗИ. В этом случае плотность потока плазмы из ловушки через ее пробки оказывается на несколько порядков выше, чем в используемых сейчас ЭЦР источниках, что делает возможным получение ионных пучков с рекордно высоким током. Поэтому детальное изучение квазигазодинамического режима удержания плазмы в условиях мощной накачки СВЧ излучением миллиметрового диапазона длин волн является актуальным.

Также следует отметить, что малое время жизни при квазигазодинамическом режиме удержания позволяет реализовывать быстрое развитие ЭЦР разряда и, следовательно, короткое время выхода параметров плазмы на стационарное значение, что является необходимым для создания короткоимпульсных ЭЦР источников ионов. Создание таких систем в настоящее время требуется для решения ряда задач, например, для исследования эффекта осцилляций нейтрино в рамках проекта «Beta Beam» [16].

В последние несколько лет гиротроны хорошо зарекомендовали себя в экспериментах с классическими ЭЦР источниками ионов [17 - 20], которые наиболее распространены на сегодняшний день. Для удержания плазмы в таких источниках используются открытые магнитные ловушки с конфигурацией магнитного поля «min В» [11], которая формируется комбинацией поля простого пробкотрона и поля многополюсной магнитной системы (обычно шестиполюсной), являющейся аналогом «палок Иоффе». Данная конфигурация магнитного поля обеспечивает эффективную стабилизацию МГД возмущений плазмы в ловушке. Такие системы позволяют создавать плазму с концентрацией электронов от МО11 до 5-1012 см"3 при их температуре до нескольких кэВ. Основным преимуществом описываемых источников является большое время жизни плазмы в магнитной ловушке, за счет которого обеспечивается глубокая обдирка ионов. Максимальная частота СВЧ накачки, используемая в классических ЭЦР источниках МЗИ, в настоящее время составляет 28 ГГц [17, 18]. Однако дальнейшее повышение частоты греющего излучения в таких системах оказывается ограничено рядом проблем. Строительство ловушек с конфигурацией магнитного поля «min В», рассчитанных на частоты накачки свыше 30 ГГц, на современном этапе представляется весьма затруднительным из-за необходимости создания очень сильных полей при сложной их структуре, необходимой для борьбы с МГД неустойчивостями. Действительно, условие гирорезонанса требует величины магнитного поля более 2 Тл при частотах накачки выше 30 ГГц. В связи с этим, нагрузка на элементы магнитной системы становится очень велика, поэтому ловушки с неосесимметричной конфигурацией магнитного поля оказываются очень дорогими. Следовательно проблема поиска более простых осесимметричных магнитных ловушек для удержания плазмы в ЭЦР источниках МЗИ становится особенно актуальной. Простейшей ловушкой, удовлетворяющей этим требованиям, является ловушка со встречными полями или касп [21].

Следуя тенденции увеличения частоты СВЧ накачки и необходимости МГД стабилизации плазмы в ловушке ЭЦР источника, в диссертации были проведены исследования по созданию плотной неравновесной плазмы ЭЦР разряда в тяжелых газах в ловушке со встречными полями при квазигазодинамическом режиме удержания. В экспериментах в качестве СВЧ накачки использовалось мощное излучение гиротронов с частотами 37,5 и 75 ГГц. Это позволило создавать плазму с уникальными параметрами: п ti i концентрацией электронов от 1-10 до 610 см' и их температурой от 50 до 300 эВ при низкой температуре ионов. При этом величина параметра удержания составляла не менее

О 1

10 с-см'. В рамках данных работ был детально изучен квазигазодинамический режим удержания плотной плазмы в ловушке ЭЦР источника и продемонстрирована возможность генерации МЗИ даже при столь малом времени жизни. Отметим, что малое время жизни при высокой концентрации плазмы позволяет добиваться рекордных значений плотности потока ионов из ловушки, которая определяется отношением N/г. Проведенные в данной диссертационной работе теоретические и экспериментальные исследования продемонстрировали возможность создания ЭЦР источника МЗИ на основе ловушки со встречными полями с накачкой мощным излучением миллиметрового диапазона длин волн. В результате исследований был изучен новый тип ЭЦР источника, использующего квазигазодинамический режим удержания плазмы - газодинамический ЭЦР источник МЗИ. Основным преимуществом такого источника является потенциальная возможность получения ионных пучков с током порядка 1 А, которые чрезвычайно востребованы на сегодняшний день и в тоже время не могут быть сформированы за счет использования классических ЭЦР источников. Особенно интересны такие источники для создания короткоимпульсных пучков МЗИ (с длительностью импульса до 100 мкс) с высоким током, который предполагается использовать в экспериментах по исследованию эффекта осцилляций нейтрино в рамках крупного европейского проекта EURISOL [22] и в исследованиях по термоядерному синтезу на тяжелых ионах (Heavy Ion Fusion) [23].

Целью диссертационной работы являлось изучение квазигазодинамического режима удержания неравновесной плазмы тяжелых газов в открытых магнитных ловушках в условиях мощного ЭЦР нагрева излучением миллиметрового диапазона длин волн. Поиск путей увеличения заряда ионов в плазме в таких условиях, анализ возможности экстракции из плазмы ионного пучка с высоким током. Исследования перспектив применения осесимметричных МГД-стабильных магнитных ловушек для удержания плазмы в ЭЦР источнике МЗИ.

Объектом исследований, описанных в диссертационной работе, являлась неравновесная плазма ЭЦР разряда, удерживаемая в открытой осесимметричной магнитной ловушке и поддерживаемая мощным излучением миллиметрового диапазона длин волн. В большей части экспериментов для удержания плазмы использовалась ловушка со встречными полями. Эксперименты проводились при использовании частот накачки 37,5 и 75 ГГц, при этом плотность потока энергии в СВЧ пучке достигала 10 кВт/см2 и 100 кВт/см2 соответственно, а давление в разрядной камере менялось от 10*4 до 10'2 Topp.

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 11 1 свыше 10 см", что существенно выше, чем в классических ЭЦР источниках МЗИ. При этом температура электронов достигала нескольких сотен эВ. Изучение процесса генерации МЗИ в таких условиях проводилось только в ИПФ РАН. В основной части проведенных исследований для удержания плазмы использовалась ловушка со встречными полями, которая обеспечивала стабилизацию МГД возмущений. Развитие ЭЦР разряда в тяжелых газах в таких ловушках с накачкой мощным СВЧ излучением гиротронов миллиметрового диапазона длин волн не исследовалось ранее. В ходе работы впервые был подробно исследован квазигазодинамический режим удержания неравновесной плазмы ЭЦР разряда в тяжелых газах в ловушках со встречными полями. Было показано, что использование таких систем позволяет получать стабильные пучки МЗИ с большими токами и величиной яркости, превосходящей лучшие мировые результаты на сегодняшний день.

В рамках данной диссертационной работы впервые был исследован ЭЦР разряд в тяжелых газах, поддерживаемый СВЧ излучением с частотой 75 ГГц. Проведенные исследования продемонстрировали перспективность повышения частоты СВЧ накачки для увеличения тока и среднего заряда ионов в экстрагируемом пучке ЭЦР источников

МЗИ, использующих квазигазодинамический режим удержания плазмы (газодинамические ЭЦР источники).

Реализация квазигазодинамического режима удержания плазмы в ловушке источника МЗИ позволила достичь рекордно малых для ЭЦР источников времен выхода параметров плазмы разряда на стационар - менее 15 мкс, тогда как в традиционных ЭЦР источниках это время составляет не менее 100 мкс. Полученные результаты открывают возможность создания короткоимпульсных ЭЦР источников МЗИ, необходимых для ряда крупных проектов [22,23].

Создана теоретическая модель формирования плазмы и генерации МЗИ в ней в ловушке газодинамического ЭЦР источника, базирующаяся на уравнениях ионизационного баланса. Проведенные исследования показали хорошее соответствие результатов расчетов экспериментальным результатам. Это позволило спрогнозировать характеристики ЭЦР источника МЗИ, использующего более высокие частоты СВЧ накачки. На основе этих данных предложен новый тип импульсных ЭЦР источников многозарядных ионов - газодинамические сильноточные ЭЦР источники. Создание интенсивных потоков плазмы в газодинамических ЭЦР источниках дает уникальную возможность экстрагировать пучки многозарядных ионов с высоким током и высокой яркостью. Например, в описанных в диссертации экспериментах были получены пучки ионов азота с зарядом +2 с током 6 мА и нормализованной яркостью более у

0,3 А/(я'мм'мрад) . Теоретический анализ показал, что возможно достижение и более высоких результатов.

Научная и практическая значимость: как уже говорилось выше, успехи последних лет в ядерной физике связывают именно с широким применением ЭЦР источников многозарядных ионов для инжекции ионов в циклотронные и линейные ускорители. Исследования таких источников представляются актуальными для институтов, эксплуатирующих ускорители тяжелых ионов. Также исследования продемонстрировали перспективность использования газодинамического ЭЦР источника МЗИ для генерации короткоимпульсных пучков ионов (20-100 мкс), производство которых требуется в рамках проекта «Beta Beam» и исследованиях по термоядерному синтезу на тяжелых ионах. Данные диссертации использовались в работе Объединенного института ядерных исследований (Дубна, Россия), Лаборатории субатомной физики и космологии (Гренобль, Франция), GSI (Дармштадт, Германия).

Демонстрация возможности формирования широких пучков многозарядных ионов с большим током делает возможным использование результатов диссертации в области технологии обработки поверхностей энергичными ионами и в экспериментах по программе термоядерного синтеза на тяжелых ионах. Эти данные, полученные в диссертации, предполагается использовать в Lawrence Berkeley National Laboratory (Беркли, США).

Структура и объем диссертации,

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. В первой главе приводится теоретическое описание процесса формирования и удержания плазмы в ЭЦР источнике МЗИ. Во второй главе описываются экспериментальные установки, которые были сконструированы для исследования параметров плазмы ЭЦР разряда в осесимметричных магнитных ловушках в условиях интенсивного нагрева СВЧ излучением миллиметрового диапазона длин волн и проверки теоретических прогнозов, полученных на основе модели представленной в главе 1. В третий и четвертой главах приводятся результаты экспериментов и их сравнение с численными оценками. Общий объем диссертации составляет 145 страниц, включая 60 рисунков. Список литературы содержит 60 наименований.

Заключение.

Полученные в диссертационной работе основные научные результаты заключаются в следующем.

1. Построена теоретическая модель, описывающая динамику развития ЭЦР разряда в тяжелых газах в открытых магнитных ловушках и процесс формирования многозарядных ионов (МЗИ) в плазме разряда. Особенностью модели является учет влияния на функцию распределения электронов по энергиям на начальной стадии разряда эффекта суперадиабатического взаимодействия электронов с СВЧ волной в условиях ЭЦР. Результаты расчетов в рамках модели хорошо согласуются с экспериментальными данными.

2. Предложен бесконтактный метод определения температуры и концентрации электронов в сильноионизованной плазме ЭЦР разряда при квазигазодинамическом режиме ее удержания в магнитной ловушке по экспериментально измеренным величинам плотностей потоков ионов всех кратностей ионизации через пробки ловушки.

3. Разработаны компактная магнитная система и разрядная вакуумная камера, позволившие оптимизировать время жизни плазмы при квазигазодинамическом режиме удержания в ловушке со встречными полями в условиях экспериментальной установки БМК 37. Получена плазма с концентрацией электронов примерно 1013 см'3 при их температуре около 50 эВ и временем жизни в ловушке 10 мкс, что обеспечило параметр удержания на уровне, достаточном для генерации МЗИ.

4. Впервые экспериментально реализован квазигазодинамический режим удержания неравновесной плазмы ЭЦР разряда в тяжелых газах в ловушке со встречными полями при мощной СВЧ накачке, и определены условия для эффективной генерации МЗИ.

5. Получены потоки ионов с плотностью до нескольких ампер через квадратный сантиметр из плазмы ЭЦР разряда, удерживаемой в ловушке со встречными полями и созданной мощным СВЧ излучением гиротрона с частотой 37,5 ГГц и мощностью до 100 кВт. Продемонстрирована возможность получения пучков МЗИ (со средним зарядом 2-3 для азота) с рекордной яркостью.

6. Продемонстрирована возможность быстрого ЭЦР пробоя газа в ловушке ЭЦР источника МЗИ (менее 15 мкс) за счет реализации квазигазодинамического режима удержания плазмы при использовании в качестве накачки излучения гиротрона миллиметрового диапазона длин волн. Получены пучки многозарядных ионов с длительность импульса ~ 50 мкс.

7. Впервые были проведены эксперименты по исследованию эффективности ионизации гелия в плазме ЭЦР разряда, удерживаемой в простой зеркальной магнитной ловушке в условиях интенсивной СВЧ накачки на частоте 75 ГГц. Было продемонстрировано существенное увеличение параметра удержания за счет повышения частоты греющего поля и, как следствие, рост среднего заряда ионов в плазме.

Список публикаций по теме диссертации.

1А] V.E. Semenov, V.A. Skalyga, V.G. Zorin. Scaling for ECR Sources of Multicharged Ions with Pumping at Frequencies from 10 to 100 GHz // Review of Scientific Instruments, v. 73, n2, Part II, p. 635 - 637,2002.

2A] А.В.Водопьянов, C.B. Голубев, В.Г. Зорин, C.B. Разин, А.В. Сидоров, В.А. Скалыга, А.Г. Шалашов. Динамика СВЧ разряда в магнитном поле в условиях сильной предварительной ионизации газа // Изв. Вузов: Радиофизика, т. 46, № 8-9, с. 822-829, 2003.

ЗА] S.V Golubev, S.V. Razin, A.V. Sidorov, V.A. Skalyga, A.V. Vodopyanov, V.G. Zorin. High Current Density Ion Beam Formation from Plasma of ECR Discharge // Review of Scientific Instruments, v.75, n5, p. 1675-1677,2004.

4A] S.V. Golubev, I.V. Izotov, S.V. Razin, V.A. Skalyga, A.V. Vodopyanov, V.G. Zorin. Multicharged Ion Generation in Plasma Created by Millimeter Waves and Confined in a CUSP Magnetic Trap // Transactions of Fusion Science and Technology, v. 47, n. IT , fuste8, p. 345-347, 2005.

5A] V. Skalyga, V. Zorin, V. Izotov, A. Sidorov, T. Lamy, P. Sortais, T. Thuillier. Gas Breakdown in ECR ion Source // Review of Scientific Instruments, v.77, n3, p. 03A325-1 -03A325-3,2006.

6A] V. Skalyga, V. Zorin, I. Izotov, S. Razin, A. Sidorov, A. Bohanov. Gasdynamic ECR Source of Multicharged Ions Based on a Cusp Magnetic Trap // Plasma Sources Science and Technology, 15, p. 727-734,2006.

7A] А.Ф. Боханов, В.Г. Зорин, И.В. Изотов, C.B. Разин, А.В. Сидоров, В. А. Скалыга. Создание плотных потоков многозарядных ионов из ЭЦР источника на базе ловушки со встречными полями с квазигазодинамическим режимом удержания плазмы // Физика плазмы, т. 33, № 5, с. 385-394,2007.

8А] S. Golubev, I. Izotov, S. Razin, A. Sidorov, V. Skalyga, A. Vodopyanov, V. Zorin, A. Bokhanov. High Current ECR Source of Multicharged Ion Beams // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, v. 256, p. 537 - 542, 2007.

9A] V.E. Semenov, V.A. Skalyga, V.G. Zorin. Generation of multiple-charge ions in an ECR discharge in the quasi-gasdynamic confinement regime. // Proceedings of 15th International Workshop on ECR Ion Sources (ECRIS'02), June 12-14,2002. (Finland), p. 196-199.

10A] S. Golubev, D. Mansfeld, S.V. Razin, V. Skalyga, A. Vodopyanov, V. Zorin, R. Geller, T. Lamy, P. Sortais, T. Thuillier, V. Murugov, A. Senik, A. Kravchenko, D. Litvin, V.Misko, S. Petrov. Progress Report of Investigations on Gyrotron ECR Ion Source SMIS

37. // Proc. of the 15th International Workshop on ECR Ion Sources (ECRIS'02). Jyvflskylfl , Finland, June 12 - 14,2002, p. 21-24. [11 A] S.V. Golubev, S.V. Razin, V.A. Skalyga, A.V.Vodopyanov, V.G. Zorin, T. Lamy, P. Sortais. Applications of Dense Plasma of ECR Discharge Sustained by Powerful Millimeter Wave Radiation. // Proc. of 12th Joint Workshop on Electron Cyclotron Emission and Electron Cyclotron Resonance Heating. Aix-en-Provence, France, May 13-16,2002, p. 353 -358.

12A] S. Golubev, D. Mansfeld, S.V. Razin, V. Skalyga, A. Vodopyanov, V. Zorin, V. Murugov, A. Senik, A. Kravchenko, D. Litvin, V. Misko, S. Petrov, R. Geller, T. Lamy, P. Sortais, T. Thuillier. ECR Ion Sources: Recent Developments. // Proceedings of the 5-th International Workshop "Strong Microwaves in Plasmas". Ed. by A.G. Litvak. Nizhny Novgorod, Russia, 2003, v. 2, p. 618-630.

13A] B.A. Скалыга, В.Г. Зорин. Определение параметров плазмы в ловушке ЭЦР источника многозарядных ионов по характеристикам экстрагируемого ионного пучка. // Сборник докладов второй научно-технической конференции «молодежь в науке». 12-14 ноября 2003, РФЯЦ-ВНИИЭФ, г. Саров. Стр. 637-640. [14А] А.В. Водопьянов, С.В. Голубев, В.Г. Зорин, С.В. Разин, А.В. Сидоров, В.А. Скалыга, А.Г. Шалашов. Создание плотной плазмы в прямой магнитной ловушке с малым полем. // Труды конференции "Физика низкотемпературной плазмы ФНТП-2004", Петрозаводск.

15А] V.Skalyga, V.Zorin. Multicharged Ion Generation in Plasma Confined in a Cusp Magnetic Trap at Quasigasdynamic Regime. // Proceedings of the 16th International Workshop on ECR Ion Sources "ECRIS'04". Berkeley, California, USA, 26-30 September, 2004. p. 112-115. [16A] V. Zorin, S. Golubev, S. Razin, A. Vodopyanov, V. Skalyga, I. Izotov, A. Sidorov, A. Bohanov. ECR ion source with quasi-gasdynamic plasma confinement regime. // Proceedings of the VI international workshop "Strong microwaves in plasmas". Russia, July 25-August 1,2005. 2006. [17A] S. Golubev, A. Bokhanov, I. Izotov, S. Razin, A. Sidorov, V. Skalyga, A.Vodopyanov and V. Zorin. Multicharged ion formation in plasma of electron cyclotron resonance discharge. // Proceedings of 13th International Congress on Plasma Physics (ICPP'06), May 22-26, 2006(Kiev), D113p.

18A] S. Golubev, I. Izotov, S. Razin, A. Sidorov, V. Skalyga, A. Vodopyanov, V. Zorin, A. Bokhanov. Quasi-Gasdynamic ECR Sources of Multicharged Ions. // Proceedings of The 6th International Workshop "Microwave discharges: Fundamentals and Applications", September 11-15,2006, Zvenigorod, Russia, p. 205-210.

1. Dandl R.A., England A.C., Ard W.B. et. al. Properties of a high-beta plasma produced by electron-cyclotron heating. //Nuclear Fusion. 1964. V. 4. P. 344-353.

2. Ikegami H., Ikezi H., Hosokawa M. et. al. Shell structure of a hot-electron plasma. // Physical Review Letters. 1967. V. 19. N. 14. P. 778-781.

3. Будников B.H., Виноградов Н.И., Голант B.E. и др. Исследование плазмы, созданной СВЧ полем в режиме циклотронного резонанса. // Журнал технической физики. 1967. Т. 37. №5. С. 851-856.

4. Аликаев В.В., Бобровский Г.А., Позняк В.И. и др. Нагрев плазмы в токамаке ТМ-3 на электронно-циклотронном резонансе при магнитных полях до 25 кЭ. // Физика плазмы. 1976. Т. 2. Вып. 3. С. 390-395.

5. Димов Г.И., Закайдаков В.В., Кишиневский М.Е. Термоядерная ловушка с двойными пробками. // Физика плазмы. 1976. Т. 2. Вып. 4. С. 597-610.

6. Аликаев В.В. ВЧ и СВЧ методы нагрева плазмы. // Итоги науки и техники. Сер. Физика плазмы. 1981. Т. 1. Ч. 2. С. 80-99.

7. Аликаев В.В., Литвак А.Г., Суворов Е.В., Фрайман А.А. Электронно-циклотронный нагрев плазмы в тороидальных системах. // В кн. : Высокочастотный нагрев плазмы. Горький : ИПФ АН СССР. 1983. С. 6-70.

8. Бочаров В.Н., Завадский Н.А., Киселёв А.В. и др. Генерирование плазмы в открытой ловушке на ЭЦР при осевом распространении волны. // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Термоядерный синтез. 1985. Вып. 3. С. 64-70.

9. Лебедев А.Н., Шальнов А.В. Основы физики и техники ускорителей. //М.: Энергоатомиздат. 1991. 528 С.

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

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

12. Geller R. ECRIS closing remarks. // Journal de Physique. 1989. Colloque CI. Suppl. N 1. V. 50. P. 887-892.

13. Geller R., Jacquot В., Sortais P. The upgrading of the multiply charged heavy-ion source Minimafios. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. 1986. V. A243. P. 244254.

14. 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.

15. Golubev S.V., Zorin V.G., Razin S.V. // Proc. Int. Workshop on Strong Microwaves in Plasmas, N.Novgorod, 1996. v. 1, p. 363.16. http://beta-beam.web.cern.ch/beta-beam/.

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

17. Bouly et al. // Rev. Sci. Instrum, Vol. 73, № 2,2002, p. 528.

18. Zhang Z.M., Zhao H.W., Sun L.T. et al. // Rev. Sci. Instrum. V.77, No 3, part 2,03A308, 2006.

19. Gamino S., Ciavola G., Celona L. et al. // Rev. Sci. Instrum. 72(11), 2001,4090.

20. Haines M.G. //Nucl. Fusion, 1977, v. 17, p. 811.

21. Lau C., Cheikh M., Essabaa S., Arianer J. et al. // Rev. Sci. Instrum. V.77, No 3, part 2, 03A706,2006.

22. Davidson R.C., Friedman A., Celata С. M., Welch D. R., et. al. // Laser and Particle Beams 20, 377,2002.

23. Golubev S.V., Razin S.V., Semenov V.E., Smirnov A. N., Vodopyanov A.V., Zorin V.G. // Rev. Sci. Instrum., v. 71, N. 2, pt. 2, p. 669 671,2000.

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

25. Суворов E.B., Токман M.Д. // Физика плазмы, т. 15, № 8, стр.540,1989.

26. Lieberman М.А., A.J. Lichenberg. // Plasma Phys. 1973, v. 15, p. 125.

27. Lejeune C., Aubert J. // Applied Charged Particle Optics (ed. by A. Septier). Academic Press, London, 1980, v. 13A,p. 159-259.

28. Брауи Я., «Физика и технология источников ионов», Мир, 1998.

29. К wan J.W. // IEEE Transactions on Plasma Science, v. 33, No. 6, p. 1901,2005.

30. Будкер Г.И. В кн.: Физика плазмы и проблема управляемых термоядерных реакций. М.: Изд-во АН СССР, 1958, т. 3, с. 3.

31. Post R.F. // Ann. Rev. Nucl. Sci., 1959, v. 9, p. 9.

32. Арцимович JI.A., Лукьянов С.Ю, «Движение заряженных частиц в электрических и магнитных полях», Наука, Москва, 1972, с. 73.

33. Трубников Б.А., «Теория плазмы», Энергоатомиздат, Москва, 1996, с. 35.

34. Пастухов В.П. // Вопросы теории плазмы, т. 13, стр. 160,1984.

35. Тимофеев А.В. // Физика плазмы, 1975, т. 1, с. 88.

36. Dimov G.I., Ivanov А.А., Koidan V.S., Kruglyakov E.P. // Proc. 28th EPS Conf. on Controlled Fusion and Plasma Physics, 2001, Funchal, Madeira, Portugal. Contributions EC A. v.25A (2001), pp.461-464.

37. Арсенин В.В., Белавин М.И., Головин И.Н. и др.//Вопросы атомной науки и техники. Сер. Термояд. Синтез. 1986. Вып. 4, с. 17.

38. Нагорный В.П., Ступаков Г.В. // Физика плазмы. 1984. Т. 10, с. 476.

39. Semenov V.E., Turlapov A.V. // Physical Review E, v. 57, n. 5, p. 5937-5944.

40. Petty C.C., Goodman D.L., Smith D.K., SmatlakD.L. // Jornal de Phsique, Colloque CI (1989), suppl. No. 1, v. 50, p. 783.

41. Antaya T.A. // Journal de Physique, Colloque CI (1989), suppl. No 1, V. 50, p. 707.

42. Melin G., Girard A., "Accelerator-Based Atomic Physics Techniques and Applications", AIP, New York, 1997, p.33.

43. Чирков Б.В. // Физика плазмы, 1985, т. 11, с. 1319.

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

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

46. Mauel M.E. // Physics of Fluids, v. 27, n. 12, p. 2899.

47. Мирнов B.B., Рютов Д.Д. // Письма в ЖТФ, 1979, т.5, стр. 678.

48. Кролл Н., Трайвелпис А. «Основы физики плазмы», Мир. 1975. 525 С.

49. Чен Ф. «Введение в физику плазмы», Мир. 1987. 398 С.

50. Drentje A.G.// Rev. Sei. Instrum., v. 73, N. 2, pt. 2, p. 516, 2002.

51. Lötz W. // Zeit, für Phys., 216,241,1968.

52. Форрестер A.T., «Интенсивные ионные пучки», Мир, 1992.

53. Post R.F. // Nucl. Fusion. V.27, p. 1579, 1987.

54. Haines M.G. //Nucl. Fusion. V.17, p.881,1977.

55. Белавин М.И., Жильцов B.A., Кучеряев Ю.А., Лихтенштейн В.Х., Панов Д.А., Сковорода A.A., Щербаков А.Г. // Физика плазмы, т. 16, №.8, стр. 984,1990.

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

57. Rashid М.Н., Bhandari R.K.// Rev. Sei. Instrum. V. 74, № 9, p. 4216, 2003.

58. Gospodchikov E.D., Smolyakova O.B., Suvorov E.V. // Transactions of Fusion Science and Technology, v. 47, n. IT, fuste8, p. 252, 2005.60. http://isolde.web.cern.ch/ISOLDE.