Исследование квазистационарных поверхностно-плазменных источников с интенсивной катодной и анодной генерацией ионов H- тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ

ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ им. Г.И. Будкера

Р Г Б ОЙ

, ! Па правах рукописи

КУПРИЯНОВ Александр Сергеевич

ИССЛЕДОВАНИЕ КВАЗИСТАЦИОНАРНЫХ ПОВЕРХНОСТНО-ПЛАЗМЕННЫХ ИСТОЧНИКОВ С ИНТЕНСИВНОЙ КАТОДНОЙ И АНОДНОЙ ГЕНЕРАЦИЕЙ ИОНОВ Н~

01.04.16 - физика и химия плазмы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

НОВОСИБИРСК—1994

Работа выполнена в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения Российской Академии наук.

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

БЕЛЬЧЕНКО доктор физико-математических наук,

Юрий Иванович Институт ядерной физики

им. Г.И. Будкера СО РАН, г.Новосибира

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

КНЯЗЕВ

Борис Александрович

доктор физико-математических наук, профессор, Новосибирский Государствен!: университет, г.Новосибирск

ОКС

Ефим Михайлович

доктор технических наук, Институт сильноточной электроники СО РАН, г.Томск

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ: Институт физики АН Украины,

г.Киев, Украина.

Защита диссертации состоится « /6 1994 г.

го совет

в «_££__» часов на заседании специализированного совета Д.002.24.02 при Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН.

Адрес: 630090, г. Новосибирск-90,

проспект академика Лаврентьева, 11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЯФ СО РАН. Автореферат разослан« /у » Ок^&й/^Х- 1994 г

Ученый секретарь специализированного совета Д.002.24.02,

академик Б.В. Чириков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В системах с магнитным удержа-пием плазмы и ускорителях широко используется перезарядный метод ¡гажекции быстрых частиц. При разработке инжекторов высокоэнерге-гических атомов с энергией более 100 кэВ на нуклон предпочтительно тспользовать обдирку ускоренных отрицательных ионов водорода, которые легко теряют "лишний" электрон при столкновениях в перезарядной мишени и имеют высокий, 0.8 - 1.0 в зависимости от типа ми-пени, коэффициент конверсии в атомы в широком диапазоне энергий 1астиц. В последнее десятилетие интенсивность и объем исследований го источникам отрицательных ионов для перезарядной инжекции зна-гательно увеличились.

В Институте ядерной физики (ИЯФ) СО РАН работы по источникам юнов Н~ ведутся уже три десятилетия и были начаты в связи с раз->аботкой Г.И. Будкером и Г.И. Димовым метода перезарядной инжек-[ии протонов в ускорители. Для перезарядной инжекции в Институте ¡ыли разработаны плазменные источники ионов Н~ типа Элерса с им-[ульспым током до 8 мА и перезарядные источники с током до 100 мА. )днако характеристики этих источников не позволяли в полной мере еализовать преимущества перезарядной инжекции п не обеспечили ее шрокого использования в ускорителях.

Ситуация с получением пучков отрицательных ионов (ОИ) ради-алыю улучшилась после обнаружения в начале 70-х годов в ИЯФ 'О РАН и экспериментального исследования нового, поверхностно -лазменного механизма образования отрицательных ионов в газовых азрядах.

На основе этого метода был разработан ряд поверхностно-плазменных сточников (ППИ) ионов Н~ для ускорителей.

Однако, эффективность образования ОИ поверхностно-плазменным

методом оказалась настолько высока, что способствовала началу развертывания работ над мощными источниками отрицательных ионов для инжекторов магнитных ловушек высокотемпературной плазмы во многих лабораториях мира.

Имевшийся в ИЯФ СО РАН опыт по разработке ППИ для ускорителей и импульсных сотовых источников с током ОИ свыше 10 А позволил также приступить в середине 80-х годов к работам по созданию мощных квазистационарных поверхностно - плазменных источников для целей УТС.

Оснопные цели работы. Целями работ, положенных в основу диссертации, являлись: дальнейшее развитие работ по созданию сотовых и других типов сильноточных квазистационарных (длительности импульса до 1 сек.) поверхностно-плазменных источников; исследование эффективности геометрической фокусировки (ГФ) ОИ в сильноточных водородно-цезиевых тлеющих разрядах поверхностно-плазменных источников.

Научная новизна и значимость работы. Разработан и экспериментально исследован квазистационарный сотовый поверхностно-плазменный источник (ППИ) с интенсивностью пучка свыше 1 А и длительностью импульса 0.2 - 0.5 сек. На нем впервые исследована геометрическая фокусировка (ГФ) отрицательных иолов (ОИ), как отраженных, так и десорбированных с широкой поверхности катодов на меньшую площадь эмиссионных отверстий.

Впервые механизм формирования пучков отрицательных ионов в поверхностно - плазменных источниках с геометрической фокусировкой был детально изучен методом компьютерного моделирования, что далс возможность правильно объяснить ряд закономерностей в формировании экспериментально наблюдаемых энергетических спектров ионнью пучков ионов Н~.

Создан квазистационарный Пеннинговский ППИ с полыми катодами, из которого при длительности импульса 1 сек и токе разряде 50 А получен пучок ионов Н~ с током 0.2 А. На данном типе источни ков впервые было показано, что основным механизмом генерации отри цательных ионов водорода является отрицательная перезарядка сверх тепловых атомов ( Е ~ 1 эВ ) на цезированной анодной эмиссионно! пластине.

Практическая ценность работы. Разработанные многоапертур-[ые квазистационарные сотовые источники ионов водорода, а также вазистационарные пеннинговские ППИ с преимущественно анодной ге-[ерацией отрицательных ионов перспективны для применения в инжек-■орах высокоэнергетичных нейтралов. Пеннинговские ППИ с полыми атодами и анодной генерацией отрицательных ионов, обеспечивающие юлучение более ярких пучков ионов Н~, перспективны для применения | ускорительной технике и технологиях электронной промышленности.

Аппробация работы. Работы, положенные в основу диссертации, складывались и обсуждались:

на Всесоюзной конференции по взаимодействию ионных пучков с гаверхностью твердого тела (Новгород, 1986);

на ежегодных Всесоюзных семинарах по физике и технике интенсив-:ых источников ионов и ионных пучков (Киев, 1987, 1988, 1989, 1991, 993);

на III и IV Европейских совещаниях по получению и использованию :егких отрицательных ионов (Амерсфорт, Голландия, 1988 и Белфаст, ¡еликобритания, 1991);

на V и VI Международных симпозиумах по получению и нейтрали-ации отрицательных ионов (Брукхейвен, США, 1989, 1992);

на I и II Международных конференциях по ионным источникам Беркли, США, 1989 и Пекин, Китай, 1993).

Объем и структура работы. Диссертация состоит из Вве-ения, четырех глав и Заключения. Текст диссертации изложен на 85 траницах, включая 44 рисунка и 12 таблиц. Список литературы со-;ержит 65 наименований.

УДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко обосновывается актуальность темы и да-тся обзор структуры диссертации.

В первую главу включены результаты работ по созданию и ис-ледованию мощного квазистационарного сотового источника.

В § 1.1 представлено описание квазистационарной модели (КМ) ППИ, схем питания источника и измерительной аппаратуры.

В § 1.2 описываются свойства и характеристики разработанной КМ. Отмечено наличие в источнике нескольких стабильных мод разряда. Представлены их характеристики. Из источника в оптимальных условиях водородно-цезиевой моды ВЦ-1 был получен пучок ионов Н~ с током 1 А и длительностью импульса 0.2 сек. Газовая эффективность источника при этом составила 10%.

Экспериментально показано, что цезиевое покрытие с низкой работой выхода электродов в квазистационарном сотовом источнике устойчиво поддерживается в течение продолжительных импульсов и не является принципиальным препятствием для достижения стационарных режимов работы.

Вторая глава посвящена экспериментальному исследованию двумерной геометрической фокусировки отрицательных ионов водорода, образуемых на сферически-вогнутой поверхности лунок катода и фокусируемых на круглые эмиссионные отверстия малого диаметра, в квазистационарном сотовом источнике.

Первый параграф главы посвящен описанию использованной в работе диагностической аппаратуры.

В § 2.2 излагаются полученные результаты и проводится их анализ. Экспериментально показано, что увеличение выхода ионов Н~ в сотовых ППИ обусловлено фокусировкой десорбированных с катода ионов Я-. При замене плоского катода на сотовый выход десорбируемых с катода ионов Н~ через эмиссионные отверстия ППИ увеличивался в десять раз. Однако, полный пучок ОИ при этом возрастал всего в 3.5-4 раза, что связано со слабой фокусировкой отраженной компоненты ионов Н~ (в 2 раза) и наличием значительной доли анодной группы ионов, не испытывающей фокусировки. Вытягиваемый из сотового ППИ пучок ионов Н~ на 60 % состоял из ионов, десорбированных с поверхности катода.

Третья глава посвящена исследованию геометрической фокусировки ОИ методом компьютерного моделирования.

В первом параграфе детально изложена модель взаимодействия легких атомных частиц с поверхностью твердого тела и алгоритм ее реализации на ЭВМ. Моделирование проводилось методом Монте-Карло в

(риближешга парных столкновений с использованием экранированного улоновского потенциала в аппроксимации Мольера. Параметр экра-шрования определялся по формуле Фирсова. Учитывались неупругие ютери энергии в элементарном акте столкновения.

Во втором параграфе описана математическая модель образования )И в поверхностно - плазменном источнике с геометрической фокуси-ювкой.

Третий параграф посвящен изложению полученных результатов. Анализ данных показал, что за счет доускорения образовавшихся на сатоде ионов Н~ в прикатодном слое и использованию двумерной геометрической фокусировки удается собрать до 75 % десорбированпых юнов Н~, что примерно в 5-6 раз превосходит эффективность псполь-ювания отраженной компоненты ОИ. В случае двумерной ГФ выход тонов Н~ при использовании ионов #3" может составлять 25 % от полного тока положительных ионов на катод. Расчетная газовая эффективность в сотовом ППИ в 2 раза выше, чем в желобковом варианте источника.

В четвертой главе приведены результаты работ по созданию и исследованию модификаций ГГПИ с преимущественно анодной генерацией ОИ.

В § 4.1 дано детальное описание модели Пеннинговского источника.

Во второй параграфе представлены результаты исследования модели. Изучено влияние давления водорода в газоразрядной камере, внешнего магнитного поля, температуры эмиссионной пластины и смещения эмиссионной пластины относительно потенциала анода на интенсивность генерации ОИ. Выявлены оптимальные условия генерации ОИ: оптимальное удаление плазменного столба от крышки с эмиссионными отверстиями, оптимальные величины магнитного поля и плотности водорода в ГРК.

Из пеннинговского источника с полыми катодами получены импульсные пучки ионов Н~ с током до 1 А и квазистационарные пучки с током 0.2 А при длительности газоразрядного импульса до 1 сек. Доля тяжелых ОИ при этом составляла менее 1% от полного тока пучка.

Отдельный параграф (§ 4.3) посвящен обсуждению экспериментальных данных с целью установления механизма интенсивной генерации ОИ в подобных ППИ. Показано, что большинство вытягиваемых ионов

Н~ эффективно (коэффициент конверсии 2-3%) образуются в результате перезарядки быстрых и сверхтепловых атомов водорода с энергией ~ 1 эВ на цезированных поверхностях анода и конусов эмиссионных отверстий.

В заключении перечислены основные результаты, представленные в настоящей диссертации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ:

1. Разработана мощная квазистационарная модель сотового ППИ. Из КМ был получен пучок ионов Н~ с интенсивностью до 1 А длительностью импульса 0.2 сек и доускорен до 15 кВ. Динамически устойчивое оптимальное цезиевое покрытие электродов КМ удавалось поддерживать в течение импульсов длительностью до 1 сек за счет бомбардировки электродов водородно-цезиевой плазмой при плотности тока разряда на катоде до 5 А/см2 и разогреве поверхностного слоя катода до 700'С.

2. Разработана технология изготовления электродов ионно-оптически; систем квазистационарных ППИ. Создана конструкция, обеспечивающая высокую электрическую прочность ускоряющих зазоров ППИ в квазистационарных режимах вытягивания электродов.

3. Экспериментально доказано, что увеличение выхода ионов Н~ в ППИ при замене плоского катода на сотовый в основном связано с фокусировкой десорбированных с катода ионов Н~. Вытягиваемый из КМ с сотовым катодом пучок состоит на 60-65% из ионов данной группы.

4. Геометрическая фокусировка катодной группы ионов Н~ наиболее эффективна при низких плотностях тока разряда на катоде 5—10 А/см2. При больших плотностях тока разряда образовавшиеся на катоде ноны Н~ начинают интенсивно разрушаться газоразрядной плазмой, что ведет к снижению эффекта ГФ и основной прирост выхода ионов Н~ в этом случае связан с анодной генерацией ОИ на цезированных стенках эмиссионных отверстий.

/

5. Расчеты, проведенные с использованием специально разработанной программы, показали, что коэффициент распыления атомов водорода при энергии бомбардировки 100 эВ может достигать величины 2090%, что способствует формированию интенсивного потока распыленных ионов Н~, имеющих после доускорения в прикатодном слое малый угловой 10°) и энергетический (около 10 эВ) разброс. Эти факторы способствуют эффективному использованию распыленной компоненты. В случае двумерной геометрической фокусировки более 65% распыленных ОИ попадают в область экстракции.

6. Согласно расчетам, в сотовом П11И использование десорбционной компоненты ОИ 6-9 раз выше, чем отраженной, что объясняет наблюдаемое почти полное отсутствие отраженных ОИ в энергоспектрах ППЙ.

7. Разработана и исследована малая модель пеннйнговского ППИ с полыми катодами. Ток ионов Н~ из источника был пропорционален площади эмиссионной апертуры и возрастал во всем диапазоне роста тока разряда. В импульсном режиме был получен ток ионов Н~ 0.95 А при эмиссионной плотности тока 3.6 А/см2.

8. Оптимальное цезиевое покрытие электродов было стабильным как в сильноточном режиме длинных импульсов разряда, так и в стационарном режиме. В режиме длинных импульсов также наблюдалась интенсивная генерация ионов Н~. При токе разряда 20 А и длительности 1 мин. был получен пучок ОИ током 100 мА. Доля тяжелых ОИ при этом составляла менее 1% от полного тока пучка.

9. Экспериментально доказано, что в пеннинговском ППИ с полыми катодами большинство вытягиваемых ионов Н~ образуются в результате перезарядки быстрых и сверхтепловых атомов водорода на цези-рованных поверхностях анода и конусов эмиссионных отверстий.

Основные результаты диссертации содержатся в следующих работах:

1. Belchenko Yu.I., Dimov G.I., Dudnikov V.G., Kupriyanov A.S. " Negative ion surface-plasma source development for fusion in Novosibirsk", Revue Phys. Appl. — 1988. — Vol. 23, N 11. — p. 1847-1857.

2. Belchenko Yu.I., Kupriyanov A.S. " On geometric focusing of hydrogen negative ions in the surface-plasma sources ", Revue Phys. Appl. — 1988. — Vol. 23, N 12. — p. 1885-1888.

3. Belchenko Yu.I., Kupriyanov A.S. " Hight-current surface-plasma negative ion sources with geometrical focusing Rev. Sci. Instrum., — 1990. — Vol. 61. N 1. — p. 484-486.

4. Belchenko Yu.I., Kupriyanov A.S. " Long-pulsed surface-plasma sources with geometrical focusing ", // Production and Neutralization of negative ions and beams: Proc. of the 5-th Int. symp., Brookhaven, NY, 1989 / AIP Conference Proc. N 210, Ed. by A. Hershcovitch., — New-York, 1990, — p.198-213.

5. Куприянов А.С. " Численное моделирование взаимодействие быстрых атомов водорода с содержащим сорбированный водород молибденом", Препринт ИЯФ СО РАН 92-23, Новосибирск, 1992. -36с.

6. Belchenko Yu.I., Kupriyanov A.S. " Negative hydrogen ion production in the hollow cathode Penning surface-plasma sources ", Rev. Sci. Instrum., 1994, v.65, p.417-425.