Исследование процессов в лазерном и электронно-лучевом источниках многозарядных ионов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ

ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Р Г Б ОД

2 7 ПИВ 1997

На правах рукописи УДК 621.384.6 + 539.1.076

9-96-476

КАЛАГИН

4 /

Игорь Владимирович

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ В ЛАЗЕРНОМ И ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОМ ИСТОЧНИКАХ МНОГОЗАРЯДНЫХ ИОНОВ

Специальность: 01.04.13 — электрофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Дубна 1996

Работа выполнена в Лаборатории высоких энергий Объединенное института ядерных исследований.

Научный руководитель:

доктор технических наук, Овсянников Владимир

старший научный сотрудник . Петрович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических Ширков Григорий

наук, старший научный сотрудник Дмитриевич

доктор физико-математических Шарков Борис

наук, старший научный сотрудник Юрьевич

Ведущая организация:

Институт теоретической и экспериментальной физики (Москва)

Защита состоится «30« л 1997 г. в /С? часов н:

заседании диссертационного совета Д-047.01.02 в Лаборатории высоки: энергий Объединенного института ядерных исследований, конференц-за; ЛВЭ, г. Дубна, Московская область.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЛВЭ ОИЯИ.

Автореферат разослан

0<-'?» ХН 199 С.

Ученый секретарь диссертационного совета

° -ч / А

М.Ф. Лихачев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Прогресс релятивистской ядерной физики, а также потребность в тяжелых ионах для широкого круга физических задач определяют интерес к развитию ионных источников. Проблема создания ионных источников способных производить пучки высокозарядных ионов практически всех элементов периодической таблицы Менделеева при максимальной интенсивности этих пучков стоит на одном из первых мест в широком круге проблем релятивистского ускорения тяжелых ионов.

Источники ионов для ускорителей имеют более чем 50-летнюю историю развития и берут начало с дуогшазмотрона и источника Пеннинга. В настоящее время самые высокозарядные ионы производит электронно-лучевой источник (EBIS). Наибольшие интенсивности низкозарядных ионов обеспечивает лазерный источник (LIS). Промежуточное положение, по параметру зарядность-интенсивность, занимает источник на электронно-циклотронном резонансе (ECR).

В настоящее время, ни один из этих источников в отдельности не может считаться полностью подходящим по параметру зарядность/интенсивность для современных задач ускорения тяжелых ионов в синхротронах. Так, например, проект ускорения ионов РЬ в LHC (CERN) /'/ требует от источника получения ионов с зарядностью Z>25, при ионных токах до 10 мА, длительности импульса t„>6 мкс и частоте следования импульсов val Гц. Лазерный источник ионов по параметрам стоит наиболее близко к этим требованиям. Разработка мощных лазеров с частотой следования импульсов v>l Гц является актуальной задачей для LIS /2/. Источники типа EBIS также могут быть использованы для этих целей, при условии существенного увеличения объема ионной ловушки.

Лазерный и электронно- лучевой источники многозарядных ионов используются на ускорительном комплексе ЛВЭ ОИЯИ с середины 70-х годов. Развитие этих источников является актуальной задачей для ОИЯИ, особенно, всвязи с созданием ускорителя Нуклотрон.

В работе впервые проведено совместное рассмотрение таких источников многозарядных ионов для современных сверхпроводящих синхротронов с коротким временем инжекции.

Цель работы

Целью данной диссертации являются экспериментальные и модельные исследования процессов в лазерном и электронно-лучевом источниках для развития этих источников и улучшения их основных параметров.

Научная новизна

• Создана численная модель возбуждения активной среды импульсного СО2 - лазера, при помощи которой разработан и создан СО2 - лазер для лазерного источника многозарядных ионов с импульсной мощностью до 40 МВт, расходимостью излучения 5-10"4 рад и частотой следования импульсов до 1 Гц. Впервые для накачки СО2 - лазера использован двухканальный импульсный модулятор с тиратронным коммутатором, системой умножения напряжения в LC- генераторе и двухконтурной схемой сжатия мощности.

• Создана численная модель процессов ионизации в электроннолучевом источнике ионов, учитывающая баланс основных процессов в ионной ловушке: ионизацию электронным ударом, рекомбинацию, перезарядку ионов на нейтралах, нагрев ионов электронами, обмен энергией между ионами в упругих столкновениях и уход ионов из ловушки

• Впервые, при помощи данной модели исследованы процессы накопления ионов криптона в ловушке электронно- лучевого источника, проведено сравнение данных расчета с экспериментальными данными, полученными в процессе работы источника "Крион-С" на линейном ускорителе ЛУ-20. Наблюдается хорошее совпадение экспериментальных и расчетных данных.

• Впервые проведены модельные расчеты процессов накопления ионов свинца в ловушке источника при близких к предельным параметрах электронного пучка: энергии 10 кВ, токе 10 А, длительности импульса 100 мс и плотностях тока 200 и 500 А/см2. Показана возможность работы источника с ионным током на выходе 1+3 мА при среднем заряде ионов свинца на выходе источника <Z>=39 (плотность тока j=200 А/см2) и <Z>=47 (j=500 А/см2) и длительности выходного импульса 10 мкс, что удовлетворяет требованиям современных синхротронов с коротким временем инжекции.

Практическая ценность работы

• Созданная численная модель возбуждения активной среды импульсного СО2 - лазера может быть использована при создании новых лазеров этого типа.

• На основании проведенных расчетов модернизирована электрическая .схема возбуждения СО2- лазера, который является основным

элементом действующего лазерного источника ЛВЭ ОИЯИ. Достигнуто существенное увеличение его надежности.

• Принципы конструкции импульсного модулятора для накачки СО2 -лазера, конфокального неустойчивого резонатора, лазерных головок, систем ультрафиолетовой предыонизации рабочей смеси, систем поперечной прокачки рабочей смеси и систем юстировки зеркал резонатора могут быть использованы в других С02-лазерах.

• Созданные и предложенные системы фокусировки лазерного излучения на мишень могут быть использованы при создании новых лазерных источников.

• Созданная численная модель процессов ионизации в электроннолучевом источнике может быть использована для расчета выходных параметров этих источников, а именно- интенсивности и спектра зарядностей ионного пучка.

Апробация работы и публикации

Основные диссертационной результаты работы докладывались и обсуждались на научных семинарах Лаборатории высоких энергий ОИЯИ, на Международной конференции по электронно-лучевым источникам EBIS'94 (Стокгольм, Швеция, 20-23 июня, 1994 г.), на 17-й Международной конференции по линейным ускорителям LINAC'94 (Цукуба, Япония, 21-26 августа, 1994 г.), на 6-й Международной конференции по ионным источникам ICIS'95 (Вистлер, Канада, 5-16 сентября, 1995 г.) и на 18-й Международной конференции по линейным ускорителям LINAC'96 (Женева, Швейцария, 26-30 августа, 1996 г.). Основное содержание диссертации опубликовано в 6 работах (список в конце автореферата).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Диссертация состоит из введения, двух глав, заключения и списка литературы

Во введении рассмотрены существующие источники многозарядных ионов для синхротронов, основные принципы их работы и достигнутые максимальные параметры.

В первой главе проведено исследование процессов в лазерном источнике многозарядных ионов.

Лазерные источники для синхротронов были предложены в 60-х годах, их развитие было связано, главным образом, с созданием мощных лазеров.

Процессы образования лазерной плазмы могут быть теоретически описаны с помощью ряда моделей, наиболее адекватными являются созданные в последнее время численные модели, например программы "FLY", "GIDRA", которые разработаны коллаборацией, создающей в CERN лазерный источник для ускорителя LHC /3>4Л

С момента создания первого импульсного лазера получено большое количество экспериментальных результатов по параметрам лазерной плазмы, образованной при фокусировке на мишенях излучения лазеров различного типа. Максимальная кратность ионизации тяжелых ионов получена в ТРИНИТИ (г. Троицк) на установке ТИР-1. При плотности потока излучения СО2- лазера q=4-1013 Вт/см2 экспериментально

наблюдалась эмиссия ионов РЬ31+, количество ионов с средним зарядом <Z>=30 на 1 см2 поверхности детектора на расстоянии 3 м от мишени составляло N-6-109 /4/. К сожалению, использование этой лазерной установки в LIS для синхротронов ограничено низкой частотой следования импульсов. Как правило, непосредственное использование существующих мощных лазерных установок в лазерных источниках для современных синхротронов также ограничено низкой частотой следования импульсов этих установок.

Принцип действия лазерного источника для синхротронов основан на извлечении ионов из плазмы произведенной в вакууме посредством фокусировки лазерного излучения на поверхности твердой мишени. Образующаяся лазерная плазма расширяется в вакуум перпендикулярно поверхности мишени. Непосредственная инжекция извлеченных из лазерной плазмы ионов в ускоритель не эффективна, поскольку длительность ионного пучка будет меньше или равна длительности гиганского импульса излучения лазера (»10 не для N(1 лазера и «100 не для СО2- лазера), что не удовлетворяет требованиям больших синхротронов (длительность инжекции 1ИНЖ > 5 мкс). Энергетический разброс плазменных ионов составляет величину примерно кэВ на заряд, это свойство позволяет увеличить длительность ионного пучка обеспечивая расстояние для дрейфа лазерной плазмы. Ионы с максимальными зарядностями, образующиеся в лазерной плазме, разлетаются в пределах малого телесного угла (<10"2 ср.) Скорость рекомбинационных процессов быстро уменьшается с расстоянием

Рис. 1

Схема лазерного источника ЛВЭ ОИЯИ

вследствие этого достигается так называемая "заморозка" ионизационных состояний. После расширения плазмы на пространстве дрейфа ионы извлекаются из плазмы, ионный пучок формируется ионной оптикой и направляется в ускоритель.

Лазерный источник работает в ЛВЭ ОИЯИ с 1976 г. Схема лазерного источника показана на Рис. 1. Основным элементом источника

является импульсный лазер. На начальном этапе, в составе источника использовался Nd лазер с импульсной мощностью I09 Вт и частотой следования

импульсов 0.02 Гц что не удовлетворяло требованиям

синхротронов. Поэтому, с 1983 г. на лазерном источнике используется изготовленный в

Лаборатории COj- лазер с импульсной мощностью Р^Ю МВт, расходимостью 0«3-1О"3 рад

работающий в

многомодовом режиме генерации импульсов при частоте следования импульсов до 1 Гц. Лазерный пучок вводится в вакуумную камеру и фокусируется на поверхности мишени двухлинзовым объективом с линзами из NaCl. Вакуумная камера укреплена на трубке форинжектора линейного ускорителя и находится под потенциалом относительно земли до 700 кВ. Ионы, извлекаемые после дрейфа лазерной плазмы на расстоянии 150 см, ускоряются до энергии 170 кэВ/нуклон и фокусируются на вход линейного ускорителя с помощью ионно-оптической системы. Максимальная плотность потока излучения лазера на мишени источника в настоящее время составляет 1010 Вт/см2. Длительность коллекторного сигнала на выходе источника составляет 25-ьЗО мкс для всех зарядностей и 5+10 мкс для высших зарядностей. Интегральный заряд ионов на выходе источника, измеренный на расстоянии 150 см, около 810"6 Кл/импульс. Масс- спектрометрические измерения, проведенные для различных элементов позволили зарегистрировать на выходе источника ядра i2C6+, ионы 27A11I+, 64Cul4+ и

184^+

Основным критерием, определяющим количество и зарядовый состав ионов в лазерной плазме, является плотность потока импульсного

Рис. 2

Схема конфокального неустойчивого резонатора,

где 1- вогнутое зеркало с радиусом К[, 2- выпуклое зеркало с радиусом Яг. 3- выходное окно

излучения сфокусированного на мишени. Величина плотности потока излучения на мишени определяется параметрами лазерного излучения и фокусирующей оптики.

Параметрами лазерного излучения являются: длина волны, импульсная мощность и расходимость. Длина волны определяется типом лазера, мощность- обьемом активной среды, системой накачки и системой синхронизации продольных мод, расходимость- длиной волны, выходной апертурой лазера и количеством поперечных мод. Количество поперечных мод определяется типом резонатора, установленного на лазере. Для формирования одномодового пучка в лазерах с большим коэффициентом усиления активной среды часто используется несимметричный конфокальный резонатор, состоящий из вогнутого (Ri>0) и выпуклого (R2<0) зеркал, называемый обычно телескопическим (Рис. 2)

Параметрами фокусирующей оптики являются: фокусное расстояние и аберрации. В случае фокусировки лазерного излучения, как правило, учитываются только монохроматические аберрации, которые характеризуют отступление реальных оптических систем от идеальных для излучения определенной длины волны.

Создание нового импульсного С02 лазера для лазерного источника имело целью увеличение выходной мощности, по сравнению с предыдущей моделью, и улучшение основных параметров излучения при сохранении частоты следования импульсов.

Одной из разновидностей импульсных С02- лазеров являются лазеры с возбуждением активной среды поперечным электрическим разрядом при давлении газа порядка атмосферного- TEA лазеры /V . Разрядный промежуток в таких лазерах, как правило, образован двумя длинными (Ь= 1 м) профилированными электродами, расположенными вдоль оптической оси лазера. Поперечные размеры промежутка определяют апертуру лазерного пучка в зоне генерации и составляют несколько сантиметров.

Осуществление однородного возбуждения газов при повышенных давлениях является сложной задачей. Классический тлеющий разряд существует только при низком (»1 кПа) давлении. Естественная форма разряда при близком к атмосферному давлении и энерговкладе более 100 Дж/(лата) - канальная. Такой разряд характеризуется низким импедансом, что позволяет осуществлять быстрый ввод энергии накачки (т»1 мкс) и получать гигантские импульсы излучения, не прибегая к каким - либо внешним устройствам для переключения добротности, т. к. эти импульсы возникают автоматически в результате действия механизма переключения коэффициента усиления.

Для создания объемного однородного разряда предварительно осуществляется многоэлектронное инициирование разряда, которое создает в промежутке необходимую начальную концентрацию электронов

и, вслед за этим, производится их ионизационное размножение. Одним из методов обеспечения начальной электронной плотности в разрядном промежутке лазера является предыонизация рабочей среды с помощью внешнего источника ультрафиолетового излучения. Лазеры, использующие этот вид предьюнизации назваются: "Импульсные TEA СО2- лазеры с накачкой самостоятельным разрядом". Именно такой лазер используется в лазерном источнике ЛВЭ ОИЯИ.

Для разработки нового лазера был создан пакет программ для

персонального компьютера, позволяющий моделировать основные процессы в активной среде СО2- лазера. В пакет входят:

1. программа, вычисляющая численными ¿методами вид функции распределения

электронов в объемном разряде для рабочих смесей с различными соотношениями компонентов и определяющая ряд важных характеристик разряда, таких как константы скоростей электронного

возбуждения молекул,

подвижность электронов,

скорость дрейфа электронов, коэффициент диффузии электронов, электронная температура, а также энергетический баланс различных процессов в разряде.

2. программа, позволяющая моделировать процессы в различных электрических схемах возбуждения лазеров, решая систему дифференциальных уравнений для электрической цепи совместно с системой дифференциальных уравнений для различных процессов в плазме газового разряда, таких как процессы ионизации, рекомбинации, диссоциации и ассоциации.

3. программа, рассчитывающая колебательную кинетику СО2 - лазера, которая включает в себя в систему дифференциальных уравнений, описывающих изменение энергии колебательных мод молекул COj и N2. Данные расчетов последовательно передаются с выхода одной программ на вход другой.

При расчете параметров нового СОг-лазера, за основу была взята конструкция ранее созданного лазера, предполагалось увеличить импульсную мощность лазера при прежнем уровне накачки (<200 Дж/(л-ата)), давлении и составе рабочей смеси путем увеличения объема

P(MW)

40 30 20 Ю 0

Л

/V

0.2 04 08 0.8 1 1 T (inks) 2

Рис. 3

Расчетная зависимость выходной мощности лазера от времени, для смеси газов (И2:С02):(1:1)

при следующих параметрах резонатора: длина Ь=200 см, коэффициент заполнения активной средой Р=0.67, поперечное сечение 5=15 см2, коэффициент отражения выходного зеркала К=0.2.

активной среды лазера с «0.8 до «3 л и максимального напряжения на накопительной емкости с 45 кВ до 90 кВ.

Были сделаны расчеты ФРЭ для ряда безгелиевых рабочих смесей и из результатов расчета энергетического баланса определен оптимальный

уровень энерговклада в разряд, он соответствует значению отношения напряженности электрического поля в фазе горения объемного разряда к плотности рабочей смеси (Е/ТС) в диапазоне: 510" 17<Е/№;10-15 Всм2.

Для определения

зависимости напряжения на разряде и тока через разряд от времени средствами

программы была

проанализирована эквивалентная электрическая параметрах элементов. Целью анализа было получения на разряде оптимальных значений Е/ТЧ.

Рис. 4

Принципиальная схема модулятора лазера

где ЬьСл.Сг- 1Х-генератор, Сз^, Ьз^ лосиеднние звенья сжатия мощности, Со^-обострительные конденсаторы, Е|[-алекгроды лазера, Р- разрады ультрафиолетовой подсветки.

схема накачки лазера при различных

Рис. 5

Общий вид СС>2-лазера на лазерном стенде ЛВЭ ОИЯИ

Расчетная зависимость выходной мощности нового лазера от времени для смеси ^2".С02) (1:1) приведена на Рис. 3. Расчетное

значение импульсной мощности превышает мощность ранее созданного лазера в 4 раза.

Результатом численного моделирования явилось создание нового

СО2- лазера. Для возбуждения лазера была выбрана схема двухканального модулятора, использующая тиратронный коммутатор и

магнитные звенья сжатия мощности. Схема позволяет получать большие импульсные мощности, полностью отказаться от использования разрядников. В состав схемы входят мощных водородный тиратрон, импульсный генератор с умножением напряжения в ЬС-генераторе и магнитные звенья сжатия мощности (Рис. 4). Модулятор позволяет формировать на нелинейной нагрузке каждого из каналов импульсы мощностью около 100 МВт, при длительности около 1 мкс.

Конструктивно лазер выполнен в виде двух соединенных последовательно головок (Рис. 5). Для обеспечения режима одномодовой генерации в качестве резонатора лазера был выбран конфокальный неустойчивый резонатор (Рис. 2). Основные параметры данного резонатора приведены в Таб. 1. Эсперименталыю измеренная расходимость излучения составила ©=5-10"4 рад.

На (Рис. 6) приведены полученные зависимости мощности излучения от времени для рабочих смесей (N2^02) с различным отношением компонентов. Наиболее оптимальной для данного лазера является смесь - (^:С02):(1:2) это может быть объяснено, если рассмотреть результаты рассчета энергетического баланса для этих смесей. На (Рис. 7) видно, что для этой смеси, в диапазоне оптимальных значений энерговклада, наблюдается преобладание энерговклада в верхний лазерный уровень молекулы СО2 (001) над вкладом в колебательные уровни молекулы N2 (1-^7), причем относительный энерговклад в уровни N2 остается достаточно высоким.

Исследования, проведенные на лазерном стенде ЛВЭ показали, что лазер демонстрирует устойчивую работу в диапазоне частот следования импульсов 0,1:1 Гц, наработка без выхода из строя, при различных частотах следования составила более 1000 часов, что позволяет использовать его в составе лазерного источника для синхротронов.

Основные параметры нового С02-лазера приведены в Таб.2.

Таб. 1

Расчетные параметры неустойчивого резонатора

Длина резонатора Ь (см) 225

Диаметр вогнутого зеркала (см) 4.4

Диаметр выпуклого зеркала 02 (см) 1.1

Потери за проход б 0.94

Коэффициент увеличения резонатора М 4

Радиус вогнутого зеркала К1 (см) 600

Радиус выпуклого зеркала Я2 (см) 150

Дифракционная расходимость ©о? (рад.) 4.8-Ю-4

Т (г»к»)

(М2:С02):(2:1)

Т(тк»|

(М2:С02):(1:1)

(1У2:С02):(1:2)

Рис. 6

Зависимости мощности Р (Вт) и энергии импульса <3(Дж) от времени для смеси (1Ч2:С<Э2) с различными соотношениями компонентов при давлении Р=0.3 ата

На следующем этапе были проведены исследования коллекторных

сигналов и

зарядового состава ионной компоненты лазерной плазмы образованной излучением нового СС>2 лазера.

Схема фокусировки лазерного излучения на мишень включала в себя два сферических фокусирующих зеркала (Р|=300 см, р2=20 см) и плоские поворотные зеркала.(Рис. 8). Расчет параметров данной системы, при учете параметров нового лазера, дает оценку значения плотности потока излучения на мишени Ю10 Вт/см2 .

В качестве материала мишени был выбран вольфрам. В экспериментах были зарегистрированы ионы \У1+-12+, при среднем заряде

Таб. 2

Параметры нового С02-лазера

Импульсная мощность Р <40 МВт

Расходимость излучения у ~5.10-4рад

Диаметр выходного пучка Б 4.4 см

Коэффициент увеличения резонатора М 4

Оптимальное соотношение компонентов рабочей смеси (М2:С02)-1:2

Частота следования импульсов <1 Гц

<2>=9. Сравнение с результами исследований спектров вольфрама, полученными на данном спектрометре ранее, при плотности потока излучения лазера на мишени Вт/см2 (^>=8) указывает на

увеличения электронной температуры минимум в 1.3 раза.

(К2:С02):(1:1)

(К2:С02):(1:2)

(М2.С02):(1:4)

Рис. 7

Энергетический баланс в смеси газов (N2:002), с различными соотношениями компонентов, для различных значений Е/Ы, при давлении Р=0.3 ата

где \УС- энергия, переданная электронам внешним полем, энергия, потерянная электронами в различных процессах, таких как: возбуждение уровней: 001 СО2 , МИО СО2, , 1-8 N2 и ионизация молекул С02 , Ы2

Для полной реализации возможностей нового лазера по увеличению плотности потока излучения на мишени необходимо создать оптическую систему с минимальными аберрациями. Как вариант, предлагается использовать систему с фокусировкой излучения параболическим зеркалом с фокусным расстоянием Р<200 мм. Проведенные расчеты показывают, что эта система даст возможность получать при работе с новым лазером, плотности потока излучения лазера на мишени ч>10и Вт/см2, что позволит значительно расширить диапазон зарядностей ионов на выходе лазерного источника ЛВЭ ОИЯИ.

Рис. 8

Схема эксперимента

где 1- лазерный луч, 2,5- плоские поворотные зеркала, 3,6- сферические зеркала, 4- вгходное окно, 7- мишень, 8-вакуумная камера, 9- расстояние для дрейфа плазмы, 10-сферический дефлектор, 11,12- входная и выходная щели, 13- детектор. Ко=240 мм 1^=222.5 мм, Л2=257.5 мм.

Во второй главе проведено исследование процессов в электроннолучевом источнике многозарядных ионов при помощи созданной компьютерной модели ЕВ18 .

ЕВ К создан в конце 60-х годов в ОИЯИ Е.Д. Донцом/6/. Конфигурация двумерной

потенциальной ионной ловушки в ЕВГБ создается объемным зарядом электронного пучка, который удерживает ионы в радиальном направлении, и потенциальными барьерами на переферийных секциях трубки дрейфа (Рис. 9). Суть электронно - лучевого метода ионизации заключается в управлении ионами, захваченными в ионную ловушку и подвергающимися ионизации и нагреву электронами пучка, при помощи различных распределений потенциалов на секциях

дрейфовой трубки.

Последовательность таких распределений и создает цикл работы источника. Основное распределение

потенциалов А таково, что все ионы, образованные в электронном пучке покидают его вдоль оси источника. В начальный момент времени создается потенциальная

конфигурация С ионной ловушки, в которую вводится некоторое количество ионов.

Инжекция ионов в ионную ловушку

осуществляется методом

"ионного регулировщика" с дополнительным распределением потенциалов В, или из внешнего ионного источника через электронный коллектор по специальной ионно -оптической системе. Метод ионного регулировщика подразумевает

Рис. 9

Схема внутренней части источника и распределения потенциалов

где 1-катод электронной пушки, 2- анод электронной пушки, 3-сверхпроводящнй соленоид, 4-злектронный коллектор, 5-вытягивающий алектрод, 6-трубхи дрейфа, 7-магнитный полюс.В- инжекция, С- ионизация, А- экстракция.

достаточную вакуумную развязку между местом инжекции рабочего газа и ионной ловушкой, которая лишь на регулируемое время подключается к объему ионизации при помощи распределения В. Время инжекции равно разности времен существования распределений В-С.

Введенные в ионную ловушку ионы, удерживаются в ней некоторое время т, называемым временем ионизации, после чего восстанавливается распределение потенциалов А и многозарядные ионы покидают пучок через вытягивающий электрод ( экстрактор ) в виде ионного импульса.

Основу теории EBIS составляют теоретические разработки, сделанные в ОИЯИ Е.Д. Донцом и Г.Д. Ширковым/7'8/, в Германии Р.Беккером а также группой, работающей с электронно- лучевой ионной ловушкой в Ливерморе/10/.

Теория EBIS рассматривает ряд процессов, происходящих в ионной ловушке электронно- лучевого источника:

1. процессы ионизации электронным ударом и обратные им процессы радиационной рекомбинации и перезарядки ионов на нейтральных атомах,

2. процессы нагрева захваченных в ловушку ионов электронами, а также, за счет возможных плазменных и микроволновых неустойчивостей,

3. процессы нагрева и охлаждения ионов за счет столкновительного обмена энергией с другими ионами,

4. процессы удержания ионов в центральном поле объемного заряда электронного пучка и продольном магнитном поле, а также, обратные им процессы ухода ионов из ловушки.

Баланс этих процессов определяет работу EBIS.

Предложенная численная модель учитывает баланс этих процессов. Скорость ухода ионов из ловушки определяется по оригинальной методике, на основе учета коэффициентов диффузии поперек силовых пиний магнитного поля /"Л Процессы описываются системой уравнений:

dN

-^-л'Лм + Л'АО.

dN, (dN

FW f ,). . 4 rrhlfiC

~Y = - NM,,., + V.) + <Ч..Л.и - [YJ '

~де No .. Nz- концентрации атомов и ионов,

Ä-ид, Xj^+i, Xz-\,z -коэффициенты ионизации,

Лу,1 = ^ммЛ.

где сечение ионизации, ]е- плотность тока электронов (см2сек)-1,

^1,0. 1,ь 1-коэффициенты рекомбинации и перезарядки,

где Хг = аг ■ аг-сечение рекомбинации, Лр = ар • Л^ - {У), ср- сечение перезарядки, N0- концентрация атомов на которых идет перезарядка, <У;>- средняя скорость налетающих ионов:

л-М '

где кТ,- температура ионов с зарядом Z и массой М,

скорость диффузионного ухода ионов из ловушки в

л )

радиальном направлении. Аксиальный уход ионов не учитывается.

Изменение величины энергии ионов вследствие процессов ионизации, рекомбинации, перезарядки, нагрева их электронами, обмена энергией с другими ионами, ухода ионов из ловушки описываются системой, состоящей из уравнений типа:

d(NkT,)

а

Л^И^Л,.,., - N,kW, ltl + Я,,_,) +

~d(N,kT,) « 'd(N,kTf exchange ' d{N,kTt)

L dt j ! dt \ Л

(2)

где

heating

dt

- учитывает скорость изменение величины N,kT; вследствие нагрева ионов электронами

~i exchange

d(N,kT,) dt

- учитывает скорость изменение величины NjkTj

вследствие обмена энергией с другими ионами

dt

- учитывает скорость изменение величины NikT,

вследствие диффузионного ухода ионов из ловушки

I (ткЛ)

Программа позволяет определять зависимость ионного тока на

выходе источника,

Т (s)

Рис. 10

зарядового состава ионов, энергии ионов и степени компенсации

электронного пучка

ионами о времени ионизации.

Впервые, с

помощью компьютерной модели, описана

зависимость суммарного ионного тока на выходе суммарного источника от времени

Экспериментальная зависимость

ионного тока на выходе Крион-С от времени ионизации. Проведенные

ионизации и расчетные зависимости, полученные при расчеты процессов

Je-l.77.102' 1/(см'с), ие=*7-103 еУ, гь=0.015, В=1.2 Т, УсС[=Уь, ипяпв Кг ПГ11,

МкХ0)=б.Ю' сш-5, NN,= 10«, 2.4-10« , 5-10« см' . Длительность ИОНИЗЗЦИИ ИОНОВ КГ, При

ионного импульса ^=100 икс. охлаждении ионами N6,

хорошо совпадают с экспериментальными результатами, полученными на источнике "Крион-С", при работе на линейном ускорителе ЛУ-20.

Результаты расчетов для выходного ионного тока и данные эксперимента представлены на Рис. 10. В результате расчетов также

предоставляется

I шА

tioniz-100 ms

207Pb82

kTit«74eV. 1-98 4* kl¡2-41 eV. 1-97.7»

■ Jc-200 A/cm2 OJe-500 A/o»2

kT¡1»435 eV. I-63Í kTi2*938 eV. 1-533:

Рис. 11

информация о

спектральной концентрации ионов в электронном

пучке, степени

компенсации пучка и средних значения ионных температур. Таким образом, созданная модель позволяет

рассчитать выходные параметры ЕВК по выбранным параметрам ионной

Токи ионов РЬ на выходе электроно-лучевого источника, рассчитанные после 100 мс ионизации

полученные при je=200 и 500 А/см2, Ut=10 KeV, Ie=10 А, В=1.2 Т, Npb(0)=6-109 cm'3, NNe= 2.4-106 см"3 . Длительность ионного импульса t¡=10

мкс. kTil, kTÍ2- ионные температуры для расчетов с учетом охлаждением ионов РЬ ионми Ne и без. Г- соответствующие степени компенсации ЛОВуШКИ электронного пучха. (ЭЛеКТрОННЫЙ ТОК,

энергия электронов, величина магнитного поля, концентрация и состав остаточного газа).

Результаты сравнения экспериментальных данных с расчетными показали, что концентрация охлаждающего газа, соответствующая

4

давлению при температуре жидкого гелия (Ы[ч;е(0)=2.4-106 см-3), является достаточной для эффективного охлаждения ионов Кг. Увеличение концентрации Ые ведет к увеличению выходного ионного тока, но рост концентрации Ие ограничен сверху процессами перезарядки ионов Кг на атомах поэтому максимальное значение концентрации не должно превышать величину 107 см-3. По этой причине, высокой степени компенсации электронного пучка можно достичь только на начальном этапе ионизации, когда влияние процессов нагрева ионов электронами мало.

В соответствии с данной моделью были проведены расчеты процессов ионизации свинца при параметрах электронного пучка близких к предельным (энергия 10 кВ, ток 10 А). Результаты расчета, для случая работы источника в импульсном режиме при короткой длительности электронного импульса (100 мс) и длительности выходного ионного импульса 10 мкс, приведены на Рис. 11.

Результаты указывают на возможность работы источника с ионным током на выходе до нескольких мА, при среднем заряде ионов, зависящим от плотности электронного тока.

В заключении диссертации представлена краткая сводка основных результатов проведенных исследований.

1. Предложен, разработан и испытан импульсный СО2 - лазер для лазерного источника многозарядных ионов с импульсной мощностью до 40 МВт, расходимостью излучения 510"4 рад и частотой следования импульсов до 1 Гц. Параметры созданного лазера превышают параметры лазера, используемого в составе действующего лазерного источника ЛВЭ, по мощности в 4 раза, по расходимости в 6 раз. Впервые, для накачки СО2 - лазера использован двухканальный импульсный модулятор с тиратронным коммутатором, системой умножения напряжения в ЬС-генераторе и двухконтурной схемой сжатия мощности.

2. Разработаны, созданы и исследованы:

а) Численная модель возбуждения активной среды импульсного СО2 -лазера. Основные результаты расчетов по которой позволили выбрать оптимальный режим накачки лазера.

б) Импульсный модулятор для накачки лазера, имеющий 2 выходных канала, каждый из которых позволяет фомировать на нелинейной низкоомной нагрузке импульсы мощностью до 100 МВт, при длительности импульса 1 мкс и частоте следования импульсов до 1 Гц.

в) Лазерные головки с увеличенным рабочим объемом, системой ультрафиолетовой предыонизации рабочей смеси, системой поперечной прокачки рабочей смеси и системами юстировки зеркал резонатора.

г) Конфокальный неустойчивый резонатор для получения режима одномодовой генерации лазера.

3. Исследована схема фокусировки излучения на мишени при помощи оптической системы состоящей из сферических зеркал. Получена

плотность потока на мишени 51010 Вт/см2 , что в 5 раз выше, чем достигнутая ранее. При этой плотности потока измерены коллекторные сигналы и спектры ионов вольфрама в лазерной плазме. Полученные результаты указывают на увеличение электронной температуры плазмы минимум в 1.3 раза.

4. В результате проведенных исследований предложена система фокусировки лазерного излучения, которая использует параболическое фокусирующее зеркало и позволяет получать плотность потока излучения лазера на мишени выше 1011 Вт/см2.

5. Для исследований процессов в электронно-лучевом источнике создана численная модель процессов ионизации в источнике, учитывающая баланс основных процессов в ионной ловушке: ионизацию электронным ударом, рекомбинацию, перезарядку ионов на нейтралах, нагрев ионов электронами, обмен энергией между ионами в упругих столкновениях и уход ионов из ловушки. Модель позволяет объяснять экспериментальные результаты, давать рекомендации по созданию электронно-лучевых источников с параметрами удовлетворяющими требованиям современных синхротронов.

6. Впервые, при помощи численной модели, исследованы процессы накопления ионов криптона в ловушке электронно- лучевого источника, проведено сравнение данных расчета с экспериментальными данными, полученными в процессе работы источника "Крион-С" на линейном ускорителе ЛУ-20. Наблюдается хорошее совпадение экспериментальных и расчетных данных.

7. Впервые проведены модельные расчеты процессов накопления ионов свинца в ловушке источника при параметрах электронного пучка близких к предельным: энергии 10 кВ, токе 10 А, длительности импульса 100 мс и плотностях тока 200 и 500 А/см2. Показана возможность работы источника с ионным током на выходе 1+3 мА при среднем заряде ионов свинца на выходе источника Z=39 (плотность тока j=200 А/см2) и Z=47 (j=500 А/см2) и длительности выходного импульса 10 мкс, что удовлетворяет требованиям современных синхротронов с коротким временем инжекции.

Работы, положенные в основу диссертации:

1. Л.П. Зиновьев, И.Б. Иссинский, И.В.Калагин, В.А. Мончинский и др.. Синхрофазотрон ОИЯИ, Работа и совершенствование, ОИЯИ, 9-87364, Дубна, 1986.

2. И.В.Калагин, В.А. Мончинский,Э.Х. Салимов, Импульсный TEA COi-лазер для лазерного источника многозарядных ионов, ОИЯИ, Р9-92-37, Дубна, 1992.

3. A.I. Govorov, I.V. Kalagin, V.A. Moiichinsky, V.V. Seleznev, The laser ion source of the Syncrophasotron and the Nuclotron in Dubna, Proceedings of the 17th International Linac Conference, Tsukuba, Japan, VI. p. 372, 1994.

4. V.P. Osyannikov, A.D. Kovalenko, O.K. Kultashev, I.V. Kalagin, Yu. I. Romanov,The EBIS "Krion - S" performance in LHE, Proceedings of the ICIS'95 Conference, Rev. Sci. Inst. V.67, N3, p. 1161, 1996.

5. V.P. Osyannikov, I.V. Kalagin, I.I. Golenitcky, O.K. Kultashev, PPM -FOCUSING SUPER EBIT, Proceedings of the ICIS'95 Conference, Rev. Sci. Inst. V.67, N3, p. 989, 1996.

6. I.V. Kalagin, V.P. Osyannikov, Numerical simulation of ion production processes in EBIS, JINR, E9-96-128, Dubna, 1996.

Цитированная литература

' Design study of the Large Hadron Collider (LHC), CERN 91-03, 1991 2M. Bourgeois, G.Hall, H.Haseroth, S.Kandrashev, H.Kugler et al., Laser Ion Source Development for Heavy Ions, in Proc. of the 1996 Int. Linac Conf., CERN, Geneva, Switzerland, 1996

3 V.Dubenko, B.Sharkov, A.Golubev, A.Shumshurov et. al., GSI Report, GSI-95-02, 1995

4 K.H. Макаров, Ю.А. Сатов, А.П. Стрельцов и др. ЖТЭФ, 106 (12), 1649, 1994

5 В. Витгеман, С02- лазер, М. "Мир", 1990

6 Е.Д. Донец и др., ОИЯИ, Р7-4124, ^убна, 1968

7 Е.Д. Донец, Г.Д. Ширков, Авторское свидетельство СССР N1225420. Бюлл. ОИПОТЗ, N44, 1989

8 Г.Д. Ширков, ОИЯИ, Р9-89-600, Дубна, 1989

9 R. Becker in Proc. of the 2-nd EBIS Workshop, Saclay- Orsay, 185, 1981

10 B.M. Penetrante et al. Phys. Rev.,A43, 4861, 1991

11 И.В. Капагин, В.П. Овсянников, E9-96-128, Дубна,1996

Рукопись поступила в издательский отдел 20 декабря 1996 года.