Механизм нагрева ионов в ЭЦР ионных источниках, учитывающий параметрические неустойчивости

Вострикова, Екатерина Александровна

Механизм нагрева ионов в ЭЦР ионных источниках, учитывающий параметрические неустойчивости тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.02 ВАК РФ

Вострикова, Екатерина Александровна АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2006 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.02 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Механизм нагрева ионов в ЭЦР ионных источниках, учитывающий параметрические неустойчивости»

Автореферат диссертации на тему "Механизм нагрева ионов в ЭЦР ионных источниках, учитывающий параметрические неустойчивости"

На правах рукописи УДК 533.951

Вострикова Екатерина Александровна

МЕХАНИЗМ НАГРЕВА ИОНОВ В ЭЦР ИОННЫХ ИСТОЧНИКАХ, УЧИТЫВАЮЩИЙ ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ НЕУСТОЙЧИВОСТИ

Специальность 01.04.02- Теоретическая физика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 2006

Работа выполнена на кафедре экспериментальной физики факультета физико-математических и естественных наук Российского университета дружбы народов

Научные руководители:

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Милантьев Владимир Петрович доктор физико-математических наук, профессор Иванов Андрей Акимович доктор физико-математических наук, профессор Лейман Владимир Георгиевич кандидат физико-математических наук Рамазашвили Рамаз Ревазович

Ведущая организация:

Институт Общей Физики Российской Академии Наук

Защита диссертации состоится «_»_2006 г. в_ часов_

минут на заседании диссертационного совета К 212.203.01 Российского университета дружбы народов по адресу: г. Москва, ул. Орджоникидзе 3,_

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Российского университета дружбы народов (117198, г. Москва, ул. Миклухо-Маклая, 6).

Автореферат разослан «_»

2006 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета Кандидат физико-математических наук Доцент

Т. К. Чехлова

¿90бЙ_

13 M

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

В последнее время наблюдается быстрый темп развития технологий, связанных с использованием пучков ионов: обработка и модификация поверхностей полупроводников [1], ионно-лучевая эпитаксйя [2] и имплантация [1], воздействие на раковые опухоли [3] и т.д. Для решения фундаментальных задач атомной и ядерной физики используются пучки многозарядных ионов (МЗИ) тяжелых элементов. Ионные пучки применяются, например, при исследовании структуры ядра и ядерных взаимодействий [4], синтезе новых сверхтяжелых элементов [5]. Пучки ионов находят широкое применение для дополнительного нагрева плазмы в тороидальных установках для термоядерного синтеза [6]. Среди источников МЗИ наиболее перспективными являются источники на основе разряда низкого давления, поддерживаемого в зеркальной магнитной ловушке электромагнитным излучением в условиях электронно-циклотронного резонанса (ЭЦР) [7]. ЭЦР источники ионов выгодно отличаются от источников других типов в тех случаях, когда требуется умеренно высокий средний заряд ионов (например 7-9 для аргона) при достаточно высоком токе экстрагированного пучка ионов (~ 100 мкА). Они имеют большой ресурс работы, стабильны, позволяют легко менять рабочее вещество. В настоящее время разработкой и усовершенствованием ЭЦР ионных источников занимаются крупные исследовательские лаборатории во всем мире [8], в том числе и в России (ОИЯИ, ИПФ РАН [9], [10]). Пучки МЗИ, сформированные с помощью ЭЦР источников ионов, активно применяются в ускорительных центрах мира (например, в GANIL (Grand Accélérateur National des Ions Lourds), Франция).

При исследовании различных механизмов, влияющих на эффективность работы ионных ЭЦР источников, основной проблемой

остается проблема удержания многозарядных ионов в источнике с целью получения их более высоких зарядовых состояний [8]. Как показывают многочисленные исследования, время жизни ионов в источнике в основном определяется ионной температурой [11]: в различных режимах удержания ионов чем ниже их температура, тем больше время жизни ионов в источнике. Поэтому проблема удержания ионов неразрывно связана с исследованием различных механизмов, влияющих на их нагрев.

В последнее время в целях повышения эффективности работы ЭЦР источников ионов проявляется большой интерес к «изотопному эффекту» (isotope effect) и эффекту «смешивания газов» (gas mixing effect). Эти эффекты, впервые наблюдаемые около пятнадцати лет назад [8], заключаются в том, что при добавлении более легкого газа в рабочий газ источника (или при добавлении его более легкого изотопа) ионы рабочего газа лучше удерживаются в источнике. При этом увеличивается выход из источника более легких ионов. Таким образом, при добавлении легкого газа в рабочий газ источника, температура легких ионов увеличивается, а тяжелых уменьшается, что позволяет дольше удержать тяжелые ионы в плазме и, следовательно, получать их более высокие зарядовые состояния. Эксперименты, проведенные за последние три года, указывают на то, что этот эффект может быть связан с генерацией в ЭЦР источнике ионов низкочастотных шумов на частотах ионного звука [12]. Появление низкочастотных ионно-звуковых шумов в условиях электронно-циклотронного резонанса является следствием параметрического взаимодействия с плазмой поля волны накачки, распространяющейся вдоль магнитного поля [13]. Таким образом, наблюдаемые эффекты могут возникать за счет коллективных процессов. Поэтому проведение всестороннего изучения влияния параметрической неустойчивости на нагрев

многозарядных ионов в ЭЦР ионном источнике является весьма важной и

актуальной задачей.

Цель диссертационной работы.

Целью настоящей работы является аналитическое и численное исследование влияния параметрической неустойчивости плазмы на нагрев ионов в ЭЦР ионных источниках и построение модели бесстолкновительного ионно-звукового турбулентного нагрева ионов, обладающих различными отношениями заряда к массе.

Основные задачи диссертационной работы:

1. Вычисление порога параметрической неустойчивости в многокомпонентной плазме (плазме с несколькими сортами ионов) ЭЦР ионного источника. Изучение темпа параметрической раскачки и затухания ионно-звуковых колебаний в многокомпонентной плазме ЭЦР ионного источника.

2. Получение спектра низкочастотных ионно-звуковых шумов в однокомпонентной плазме (плазме с одним сортом ионов) и двухкомпонентной плазме (плазме с двумя сортами ионов) ЭЦР ионного источника. Сопоставление полученных видов спектров с имеющимися экспериментальными данными.

3. Изучение ионно-звукового турбулентного нагрева однокомпонентной и двухкомпонентной плазмы ЭЦР источника ионов. • Получение и решение уравнений временной эволюции температур ионов различных сортов. Выявление оптимальных параметров для эффективной работы ЭЦР ионного источника.

Научная новизна работы.

1. Показано, что параметрическая (распадная) неустойчивость может возбуждаться в многокомпонентной плазме ЭЦР источников ионов

2. Впервые найдены выражения для спектров ионно-звуковой турбулентности, возникающей за счет параметрической неустойчивости в ЭЦР ионном источнике, для случая однокомпонентной плазмы и плазмы с двумя сортами ионов, обладающих различными отношениями заряда к массе. Форма этих спектров полностью согласуется с экспериментальными данными.

3. Предложен механизм бесстолкновительного ионно-звукового турбулентного нагрева многокомпонентной плазмы ЭЦР ионного источника. Показано, что за счет ионного звука более легкие ионы быстрее нагреваются и покидают источник. Это приводит к охлаждению тяжелых ионов и тем самым к увеличению их времени жизни в системе.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Параметрическая неустойчивость (распадная) может возбуждаться в ЭЦР источниках ионов в случае многокомпонентной плазмы при используемых мощностях микроволнового генератора, поддерживающего разряд в источнике.

2. При возникновении параметрической неустойчивости бесстолкновительный ионно-звуковой турбулентный нагрев ионов плазмы ЭЦР ионного источника является одним из основных механизмом нагрева ионов в источнике.

Практическая значимость работы.

Полученные в диссертационной работе результаты позволяют дать рекомендации по оптимизации и усовершенствованию ионных источников на электронно-циклотронном резонансе. Непосредственно результаты и методы исследования могут быть также использованы при моделировании любых источников плазмы, основанных на ЭЦР - разряде.

Использование результатов работы.

Результаты проведенных исследований использовались: при реализации научно-технической программы «Индустрия образования» (№ 1535) и Федеральной программы "Интеграция" (№ Я0068/2137), а также при выполнении международного проекта INTAS-01-0373.

Апробация работы и публикации.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 6 работах, в том числе в 4 статьях в научных периодических изданиях и сборниках трудов конференций, а также в 2 тезисах докладов. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры экспериментальной физики факультета физико-математических наук Российского университета дружбы народов, Российского Научного Центра «Курчатовский Институт», Института общей физики РАН , а также на научных семинарах кафедры общей физики Московского физико-технического института и на следующих конференциях: 22nd Summer School and International Symposium on the Physics of Ionized Gases (Bajina Basta, Serbia and Montenegro, August 23-27, 2004), International Conference "Mode Conversion, Coherent Structures and Turbulence" (Moscow, Russia, November 2325, 2004), 11th International Conference On Ion Sources (Caen, France, September -12-16, 2005), 3-я Курчатовская Молодежная Научная Школа (Москва, 14-16 ноября, 2005).

Структура и объем диссертации.

Объем диссертации составляет 95 страниц, включая основной текст, 15 рисунков, одну таблицу и список литературы из 73 наименований. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав и заключения. В конце работы помещены списки рисунков, приведенных в диссертации, а также список цитируемой литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность диссертационной работы, сформулированы цели и задачи, научная новизна, практическая ценность и положения, выносимые на защиту.

Первая глава диссертации посвящена физическим особенностям получения многозарядных ионов в современных стандартных источниках ионов на электронно-циклотронном резонансе. В разделе 1.1 описываются основные принципы работы ЭЦР ионных источников. Стандартный ЭЦР ионный источник состоит из цилиндрической вакуумной камеры, помещенной в магнитную структуру, сформированную катушками с током и постоянными магнитами. В камеру, длина которой составляет несколько десятков сантиметров, являющуюся одновременно многомодовым резонатором, подаются колебания микроволнового диапазона (500 2 кВт, X ~ 3 см) и инжектируется предварительно созданная холодная плазма, в которой после нагрева за счет электронно-циклотронного резонанса в условиях высокого вакуума (~ 10"6 Topp) производятся многозарядные ионы. Линейно поляризованная СВЧ волна создается обычно микроволновым генератором и вводится внутрь вакуумной камеры через кварцевое окно вдоль силовых линий магнитного поля. Необходимость создания высокоэнергетичной электронной компоненты в источнике за счет мощного ЭЦР нагрева связана с тем, что основным процессом получения ионов в ЭЦР ионном источнике является ионизация электронным ударом нейтральных

атомов рабочего газа источника [7]. При изменении магнитного поля, СВЧ мощности и давления рабочего газа параметры источника оптимизируются для получения нужного зарядового состояния ионов. В разделе 1.2 обсуждаются различные режимы удержания ионов плазмы в ЭЦР ионных источниках для получения их более высокого зарядового состояния. Показано, что время жизни ионов в источнике существенно зависит от температуры. В ионных источниках, в отличие от термоядерных установок, плазма неравновесная, т.е. температура ионов считается гораздо ниже температуры электронов Те » Т1, Т1 ~ 1 эВ. Отмечено, что в численном моделировании плазмы источников, как правило, учитывают только нагрев ионов за счет электрон - ионных столкновений. Однако, в таких расчетах не рассматривается возможность создания в плазме источника условий для так называемого турбулентного нагрева ионов, возникающего за счет мелкомасштабных микронеустойчивостей [11]. В разделе 1.3 представлен обзор экспериментальных исследований эффекта "смешивания газов" и "изотопного эффекта", указывающих на то, что добавление балластного легкого газа в рабочий газ является дополнительным средством для увеличения времени жизни ионов в источнике, а следовательно для получения их более высоких зарядовых состояний и увеличения интенсивности пучка экстрагированных ионов, на который оптимизируется источник. Обсуждаются возможные причины возникновения этих эффектов в ЭЦР ионных источниках. Обращено внимание на эксперименты, выявляющие связь обсуждаемых эффектов с генерацией в ЭЦР источнике ионов низкочастотных шумов на частотах ионного звука, появление которых является следствием известного механизма параметрического

взаимодействия с плазмой поля волны накачки, распространяющейся вдоль магнитного поля [13]. Доказывается необходимость глубокого и детального

исследования влияния коллективных процессов на время жизни ионов в источнике, а следовательно на нагрев ионов в многокомпонентной плазме.

Вторая глава посвящена параметрической неустойчивости в плазме ЭЦР ионных источников. В разделе 2.1 обсуждаются результаты первых экспериментальных и теоретических исследований параметрического возбуждения низкочастотных колебаний в плазме вблизи электронно-циклотронного резонанса [13, 14, 15]. В работах [14, 15] было установлено, что наблюдавшиеся в ловушке пробочной конфигурации низкочастотные шумы возникали из-за параметрического возбуждения ионно-звуковых колебаний волной накачки в области электронно-циклотронного резонанса. Этот процесс был также интерпретирован как нелинейный распад волны накачки на ионно-звуковую и высокочастотную потенциальную волну с частотой о » соНе, где соИе - электронная циклотронная частота. В разделе 2.2. приведены дисперсионные соотношения для электромагнитной волны, распространяющейся вдоль магнитного поля, а также для низкочастотных и высокочастотных потенциальных волн, на которые может распасться подобная волна. Показано, что правополяризованная волна,

распространяющаяся вдоль магнитного поля с частотой О < соНе,

(а = соНе (1 —^-у), где соре - плазменная электронная частота, с - скорость к с

света), может распадаться на две потенциальные волны согласно законам распада

О = аБ + сог, к = к8+кг. Отмечено, что согласно законам распада, потенциальные колебания должны распространяться в узком конусе под небольшим углом в к направлению магнитного поля. Здесь а>5 - частота ионно-звуковых колебаний,

ре . 2

сог = (оНе(1 -^-твш в) - частота гибридной волны. Получено

\шре Не |

выражение для максимального инкремента распадной неустойчивости и обращено внимание на то, что инкремент неустойчивости достигает своего максимального значения, когда волны распространяются под определенным углом 0О и к / 6 к магнитному полю. В разделе 2.3 обсуждается дальнейшая эволюция ионно-звуковых колебаний. В разделе 2.3.1 следуя классическим работам по плазменной турбулентности [16, 17] показано, что ионный звук за счет индуцированного (нелинейного) рассеяния на ионах перекачивается в область длинных волн. При этом энергия длинноволновых ионно-звуковых колебаний может поглощаться за счет ион - ионных столкновений. Это позволяет обрезать спектр ионно-звуковых колебаний в области длинных волн, а в остальном пространстве волновых векторов построить стационарное решение, в котором линейный рост неустойчивости сбалансирован оттоком энергии в длинноволновую часть спектра. Отмечено, что механизм затухания ионного звука на ион - ионных столкновениях является очень важным не только для определения вида спектра, установившегося в нелинейном режиме неустойчивости в ЭЦР источнике ионов, но и для нахождения порога распадной неустойчивости. В разделе 2.3.2 найден декремент затухания ионного звука на ион - ионных столкновениях для случая многокомпонентной плазмы. Показано, что даже при незначительном различии между зарядами и массами ионов, декремент затухания ионного звука будет в основном определяться слагаемым, содержащим выражение Aa-qbl Аь)2, где д и А - зарядовое число и массовое число соответственно. В разделе 2.3.3 найдено выражение, определяющее значение порогового поля волны накачки в многокомпонентной плазме, выше которого в плазме возбуждаются ионно-звуковые колебания. Проведены расчеты порога распадной неустойчивости для стандартных параметров ЭЦР

ионных источников. Показано, что порог раскачки ионно-звуковых колебаний в ЭЦР ионном источнике достаточно низкий.

Третья глава диссертации посвящена изучению ионно-звукового турбулентного нагрева однокомпонентной и двухкомпонентной плазмы ЭЦР источника ионов. В разделе 3.1 получены спектры ионно-звуковой турбулентности (ИЗТ) в ЭЦР ионном источнике. В разделе 3.1.1 анализируются известные работы Б. Б. Кадомцева и В. Н. Цытовича [16, 17], где получены спектры ИЗТ для случая однокомпонентной плазмы, а также работы научной школы В.П. Силина, в которых построена теория ИЗТ для двухкомпонентной плазмы [18]. В работах [16, 18] получен спектр ИЗТ возникающей за счет токовой неустойчивости во всем к - пространстве, в работе [17] получен спектр ИЗТ для случая с неопределенным источником, находящимся в ограниченном интервале волновых чисел Дкё , что возможно

при генерации ионно-звуковой турбулентности высокочастотным полем волны накачки. Область поглощения ионно-звуковых колебаний возникает при малых значениях к. Тогда между областями затухания и генерации ионно-звуковых колебаний будет существовать инерционный интервал, где происходит нелинейное перекачивание энергии из области коротких длин волн в длинноволновую область. В этом случае стационарный спектр установится в двух областях пространства волновых чисел: области генерации, в которой раскачка ионного звука уравновешивается нелинейным затуханием ионно-звуковых колебаний на ионах (индуцированное или нелинейное рассеяние), что приводит к нелинейной перекачке ионно-звуковых колебаний в длинноволновую область, и инерционной области, где нелинейная перекачка колебаний в длинноволновую область уравновешивается линейным затуханием Ландау ионного звука на электронах

Рис. 1. Схематический вид спектра Рис. 2. Схематический вид спектра ионного звука при к- к^ < к^ ионного звука при к - к^« к .

(У/). Затухание за счет ион-ионных столкновений (у,) может быть учтено

простым обрезанием спектральной функции при значении к*, соответствующему равенству у1 = у1, В разделе 3.1.2 для описания процессов индуцированного рассеяния получено кинетическое уравнение для волн в общем виде на основе нелинейного кинетического уравнения для ионов. В разделе 3.1.3 получено кинетическое уравнение для ионно-звуковых волн в однокомпонентной плазме. Следуя работам Цытовича [17], получены спектры ионно-звуковой турбулентности в однокомпонентной плазме в ЭЦР ионном источнике в области генерации и в инерционном интервале. Показано, что зависимость числа ионно-звуковых волн от угла в имеет вид 8 - функции:

Ы-к = Ык{со%в) = Ык8{о,оъв-соьв0), где Л^ обозначает число волн, связанное со спектральной плотностью

энергии турбулентности как Nк = Н'^/ка>(к), где й - постоянная Планка.

Отмечено, что для полученного спектра не существует опасности, характерной для усредненного по углам спектра Кадомцева, а именно установившийся спектр не может сам оказаться неустойчивым по отношению

к стягиванию конуса неустойчивых волн в к - пространстве. Стационарное распределение числа ионно-звуковых волн по волновым числам к в инерционном интервале имеет пилообразную структуру, зависящую от СВЧ мощности (рис. 1, 2). Появление дополнительных областей генерации ионного звука в к - пространстве связано с тем, что на промежутке между

к& ~ Гре и к0 фазы ионно-звуковых колебаний сбиты относительно волны накачки, что затрудняет ее распад. Здесь к0 соответствует случаю, когда гОе ' дебаевский радиус «теплых» электронов (электронов, имеющих энергию порядка 100 эВ). Однако при к<к0 распад снова возможен, и возникают дополнительные области существования ионно-звуковых колебаний на промежутках к0п<к< к%п + Д к^, к^ < к0 . В области

малых к, когда к = к*, вся энергия ионного звука будет полностью расходоваться на нагрев ионов за счет ион - ионных столкновений. В разделе 3.1.4 получено кинетическое уравнение для ионно-звуковых волн в двухкомпонентной плазме для случая ионов, обладающих различными отношениями заряда к массе и для случая изотопов. Отмечен эффект усиления вероятности индуцированного рассеяния ионного звука на ионах различных сортов, впервые обнаруженный в работах школы Силина. Получен спектр ионно-звуковых колебаний для случая двухкомпонентной плазмы в области генерации и в инерционном интервале. В этом случае вид стационарного спектра в инерционном интервале также, как и для случая однокомпонентной плазмы, имеет пилообразную структуру. Отмечено, что полученные спектры соответствуют экспериментальным данным [12]. В разделе 3.2 дано количественное описание бесстолкновительного нагрева ионов за счет нелинейного затухания Ландау ионного звука при индуцированном рассеянии ионно-звуковых колебаний на тепловых ионах. В разделе 3.2.1 показано, что для получения уравнений эволюции температур

ионов необходимо использовать бесстолкновительную часть квазилинейного кинетического уравнения для ионов, описывающее изменения распределения ионов из-за процессов индуцированного рассеяния. В разделе 3.2.2 получено уравнение для изменения температуры ионов одного сорта во времени. Показано, что турбулентный нагрев ионов происходит за большее время, чем время установления максвелловского распределения ионов. Это означает, что функция распределения ионов по скоростям является максвелловской, и все выше приведенные расчеты, сделанные в этом предположении, оказываются верными. В разделе 3.2.3 получены уравнения для изменения температуры ионов двухкомпонентной плазмы во времени. Показано, что в двухкомпонентной плазме за счет ионно-звуковой турбулентности ионы нагреваются по-разному. Как для случая распадной неустойчивости в ЭЦР источнике ионов, так и для случая токовой неустойчивости [18], темп нагрева ионов зависит от величины заряда, массы и концентрации ионов. Отмечено, что полученные уравнения не применимы для случая двух изотопов. Это означает, что уравнения нагрева изотопов будут иметь совсем другую структуру, куда будет входить малый параметр ДМ / М, где ДМ -разность масс тяжелого и легкого изотопа. Показано, что также, как и для случая токовой неустойчивости, энергия, полученная ионами при столкновениях с электронами, будет мала по сравнению с энергией, получаемой при индуцированном рассеянии волн на ионах.

В качестве примера проведен расчет нагрева ионов аргона Аг10+ в плазме ЭЦР источника ионов, содержащей также небольшое количество ионов гелия Не2*. Результаты расчета показывают, что добавление небольшого количества гелия в аргон приводит к заметному уменьшению температуры аргона. Это означает, что при мощностях, превышающих 50 Вт, энергия ионно-звуковой волны может идти на нагрев легкой компоненты в смеси газов источника. Ее вклад превышает значение энергии, полученной

легкими ионами за счет столкновений с электронами. При этом тяжелые ионы охлаждаются, и их время жизни в плазме увеличивается. Из выражений, определяющих темп турбулентного нагрева ионов, выведен критерий, которому должны отвечать параметры ионов балластных легких газов (концентрация, заряд, масса), добавленных в рабочий газ ЭЦР ионного источника, для повышения интенсивности извлекаемых пучков многозарядных ионов.

В заключении сформулированы основные научные результаты, полученные в диссертационной работе, указаны новые научные задачи, связанные с проведенным диссертационным исследованием и возможные направления их решения.

Основные результаты диссертации:

1. Вычислен порог параметрической неустойчивости в многокомпонентной плазме ЭЦР ионного источника. Получено выражение для декремента затухания ионно-звуковых колебаний за счет ион - ионных столкновений в многокомпонентной плазме ЭЦР ионного источника.

2. Получен спектр низкочастотных ионно-звуковых шумов в однокомпонентной плазме и двухкомпонентной плазме ЭЦР ионного источника.

3. Получены и решены уравнения временной эволюции температур ионов различных сортов. Показано, что в двухкомпонентной плазме за счет ионно-звуковой турбулентности ионы нагреваются по-разному в зависимости от концентрации, заряда и массы. Выведен критерий, которому должны отвечать параметры ионов балластных легких газов, добавленных в рабочий газ ЭЦР ионного источника, для повышения интенсивности извлекаемых пучков многозарядных ионов.

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Hirvonen J. К., Nastasi M., Hirvonen James К., Mayer James W. Ion solid interactions: fundamentals and applications. Cambridge Univ. Pr. 1996.

2. Rabalais J. W., Al-Bayati A. H., Boyd K. J., Mardon D., Kulik J., Zhang Z., and Chu W. K. Ion-energy effects in silicon ion-beam epitaxy // Physical Review B. — 1996, v. 53, pp. 10781 -10792.

3. Muramatsu M., Kitagawa A., Sato S., Sato Y., Yamada S., Hattori T., and Shibuya S. Development of the compact electron cyclotron resonance ion source for heavy-ion therapy//Rev. Sci. Instrum. — 2000, v. 71, pp. 984986.

4. Greiner W. Past and future of heavy ions research // Proceedings of the Symposium "10 Years of Uranium Bea. at the UNILAC, April 2-4, 1986, GSI Darmstadt. GSI-86-19 report 1986, pp. 507-553.

5. Oganessian Yu. Ts. Transmendelevium elements: the present and the future // Proceedings of the Robert A. Wecb Conference on the Chemical Research XXXIV "Fifty tears with transuranium elements", October 22-23, 1990, Houston, Texas, pp. 159-197.

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

7. Geller R. Electron Cyclotron Resonance Ion Sources and ECR Plasmas, Bristol and Philadelphia: Institute of Physics Publishing, 1996.

8. Drentje A. G. Techniques and mechanisms applied in electron cyclotron resonance sources for highly charged ions // Rev. Sci. Instrum. — 2003, v. 74 (5), pp. 2631-2645.

9. Efremov A. A., Kutner V. В., Zhao H. W., Lebedev A. V., Loginov V. N., Yazvitskiy N. Yu., Pivarc J. Experimental studies on the gas mixing effect on DECRIS-14-2. Preprint E-95-112, JINR, Dubna, 1995.

10. Bouly J. L., Curdy J. C., Geller R., Golubev S. V., Lacoste A., Lamy T., Sole P., Sortais P., Razin S. V., Vieux-Rochaz J. L., Thuillier T., Vodopyanov A. V., Zorin V. G. High current density production of multicharged ions with ECR plasma heated by gyrotron transmitter // Rev. of. Sci. Instrum. — 2002, v. 73 (2), pp. 528-530.

11. Ivanov A. A., Wiesemann K. Ion confinement in electron cyclotron resonance ion source (ECRIS): Importance of nonlinear plasma-wave

interaction // IEEE Transactions on plasma science — 2005, v. 33 (6), pp. 1743-1762.

12. Kawai Y., Meyer D., Nadzeyka A., Wolters U., Wiesemann К. Isotope effects in an electron cyclotron resonance ion source in mixture of l5N/14N // Plasma Sources Sei. Technol. — 2001, v. 10, pp. 451-458.

13. Градов О. M., Зюндер Д. Параметрическое возбуждение потенциальных волн в полностью ионизованной плазме вблизи электронно-циклотронного резонанса // ЖЭТФ — 1970, т. 58 (3), с. 979-988.

14. Патрушев Б. И., Иванов А. А., Гозак В. П., Франк-Каменецкий Д. А. Низкочастотная неустойчивость электронно-циклотронной волны в плазме // ЖЭТФ — 1970, т. 59, стр. 1080-1082.

15. Иванов А. А., Параил В. В. Об уширении монохроматической циклотронной волны большой амплитуды в плазме // ЖЭТФ — 1971, т. 60 (6), стр. 2113-2120.

16. Кадомцев Б. Б. Турбулентность плазмы // Вопросы теории плазмы/ под ред. М.А Леонтовича — 1964. вып. 4, стр. 188 -339.

17. Цытович В. Н. Теория турбулентной плазмы. — Москва: Атомиздат, 1971.

18. Кузора И. В., Силин В. П., Урюпин С. А. Турбулентный нагрев ионов в плазме с двумя сортами ионов // Физика плазмы — 2004, т.30, стр. 339348.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Ivanov A. A., Vostrikova Е. A., Povolotskaya G. V. On the role of parametric instability in the gas mixing effect // Proceedings of 22nd Summer School and International Symposium on the Physics of Ionized Gases, August 23-27,

2004, Bajina Basta, Serbia and Montenegro. Vinca Institute of Nuclear Sciences, Belgrade , Serbia and Montenegro, 2004, pp. 549-552.

Ivanov A. A., Lukianov A. A., Vostrikova E. A. On the role of low turbulence in an ECR source of multicharge ions // Proceedings of The International Conference "Mode Conversion, Coherent Structures and Turbulence", November 23-25, 2004, Moscow, Russia. Moscow: URSS, 2004, pp. 522-527. Elizarov L. I., Ivanov A. A, Serebrennikov K. S., Vostrikova E. A. Differential turbulent heating of ions in gas mixture ECRIS // Abstracts of 11th International Conference On Ion Sources, September 12-16, 2005, Caen, France, p. 190.

Elizarov L. I., Ivanov A. A, Serebrennikov K. S., Vostrikova E. A. Differential turbulent heating of different ions in electron cyclotron resonance ion source plasma // Review of Scientific Instruments — 2006, v. 77(3), pp. 03A327-1-03A327-3.

Вострикова E. А., Иванов А. А., Серебренников К. С. Модель турбулентного нагрева ионов в источнике многозарядных ионов на электронно-циклотронном резонансе // Вестник РУДН. Серия Физика. —

2005, № 1(13), с. 157-169.

Вострикова Е. А., Серебренников К. С. Турбулентный нагрев ионов в смеси газов источника многозарядных ионов на электронно-циклотронном резонансе // Сборник аннотаций 3-ей Курчатовской Молодежной Научной Школы, Москва, 14-16 ноября, 2005, с. 50.

Типография ордена "Знак Почета" издательства МГУ 119992, Москва, Ленинские горы Заказ № 160 Тираж 100 экз

¿D&óA

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Вострикова, Екатерина Александровна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Получение многозарядных ионов в ЭЦР ионных источниках.

1.1. Принципы работы ЭЦР источника ионов.

1.2. Удержание ионов в ЭЦР источнике ионов. Влияние ионной температуры на удержание ионов.

1.3. Смешивание газов и изотопный эффект.

ГЛАВА 2. Параметрические неустойчивости в плазме ЭЦР ионных источников

2.1. Введение.

2.2. Параметрическое возбуждение низкочастотных колебаний в плазме ЭЦР ионных источников.

2.3. Ионно-звуковая турбулентность.

2.3.1. Введение.

2.3.2. Затухание ионного звука в многокомпонентной плазме ЭЦР источника ионов.

2.3.3. Порог распадной неустойчивости в многокомпонентной плазме ЭЦР источника ионов.

ГЛАВА 3. Турбулентный нагрев ионов в многокомпонентной плазме ЭЦР ионного источника.

3.1. Спектр ионно-звуковой турбулентности в ЭЦР ионном источнике.

3.1.1. Введение.

3.1.2. Вывод кинетического уравнения для волн.

3.1.3. Случай однокомпонентной плазмы.

3.1.4. Случай двухкомпонентной плазмы.

3.2. Турбулентный нагрев ионов в ЭЦР ионном источнике.

3.2.1. Введение.

3.2.2. Случай однокомпонентной плазмы.

3.2.3. Случай двухкомпонентной плазмы.

Введение диссертация по физике, на тему "Механизм нагрева ионов в ЭЦР ионных источниках, учитывающий параметрические неустойчивости"

Актуальность темы.

В последнее время наблюдается быстрый темп развития технологий, связанных с использованием пучков ионов: обработка и модификация поверхностей полупроводников [1] , ионно-лучевая эпитаксия [2] и имплантация [1], воздействие на раковые опухоли [3] и т.д. Для решения фундаментальных задач атомной и ядерной физики используются пучки многозарядных ионов (МЗИ) тяжелых элементов. Ионные пучки применяются, например, при исследовании структуры ядра и ядерных взаимодействий [4], синтезе новых сверхтяжелых элементов [5]. Пучки ионов находят широкое применение для дополнительного нагрева плазмы в тороидальных установках для термоядерного синтеза [6]. Среди источников МЗИ наиболее перспективными являются источники на основе разряда низкого давления, поддерживаемого в зеркальной магнитной ловушке электромагнитным излучением в условиях электронно-циклотронного резонанса (ЭЦР) [7]. ЭЦР источники ионов выгодно отличаются от источников других типов в тех случаях, когда требуется умеренно высокий средний заряд ионов (например, 7-9 для аргона) при достаточно высоком токе экстрагированного пучка ионов (~ 100 мкА). Они имеют большой ресурс работы, стабильны, позволяют легко менять рабочее вещество. В настоящее время разработкой и усовершенствованием ЭЦР ионных источников занимаются крупные исследовательские лаборатории во всем мире [8], в том числе и в России (ОИЯИ, ИПФ РАН [9], [10]). Пучки МЗИ, сформированные с помощью ЭЦР источников ионов, активно применяются в ускорительных центрах мира (например, в GANIL (Grand Accelerateur National des Ions Lourds), Франция).

При исследовании различных механизмов, влияющих на эффективность работы ионных ЭЦР источников, основной проблемой остается проблема удержания многозарядных ионов в источнике с целью получения их более высоких зарядовых состояний [8]. Как показывают многочисленные исследования, время жизни ионов в источнике в основном определяется ионной температурой [11]: в различных режимах удержания ионов чем ниже их температура, тем больше время жизни ионов в источнике. Поэтому проблема удержания ионов неразрывно связана с исследованием различных механизмов, влияющих на их нагрев.

В последнее время в целях повышения эффективности работы ЭЦР источников ионов проявляется большой интерес к «изотопному эффекту» (isotope effect) и эффекту «смешивания газов» (gas mixing effect). Эти эффекты, впервые наблюдаемые около пятнадцати лет назад [12, 13], заключаются в том, что при добавлении более легкого газа в рабочий газ источника (или при добавлении его более легкого изотопа) ионы рабочего газа лучше удерживаются в источнике. При этом увеличивается выход из источника более легких ионов. Таким образом, при добавлении легкого газа в рабочий газ источника температура легких ионов увеличивается, а тяжелых уменьшается, что позволяет дольше удерживать тяжелые ионы в плазме и, следовательно, получить многозарядные ионы с высокой кратностью ионизации. Эксперименты, проведенные за последние три года, указывают на то, что этот эффект может быть связан с генерацией в ЭЦР источнике ионов низкочастотных шумов на частотах ионного звука [14].

Появление низкочастотных ионно-звуковых шумов в условиях электронно-циклотронного резонанса, является следствием параметрического взаимодействия ВЧ поля волны накачки, распространяющейся вдоль магнитного поля, с плазмой

15]. Таким образом, наблюдаемые эффекты могут возникать за счет коллективных процессов. Поэтому проведение всестороннего изучения влияния параметрической неустойчивости на нагрев многозарядных ионов в ЭЦР ионном источнике является весьма важной и актуальной задачей. Стоит отметить, что параметрическая неустойчивость плазмы в связи с очень низким порогом наблюдается и изучается в последнее время не только в ЭЦР ионных источниках, но также и во многих других плазменных установках, в том числе в ЭЦР источниках рентгеновского излучения

16] и в геликоновом разряде [17].

Согласно экспериментальным исследованиям, использование дополнительных легких газов при получении МЗИ тяжелых элементов в источниках ЭЦР типа для циклотронов [18] позволяет повысить интенсивность извлекаемых пучков МЗИ и существенно снизить расход рабочего газа. Таким образом, изучение влияния низкочастотных шумов, генерируемых в многокомпонентной плазме, т.е. плазме, содержащей ионы разных газов, на «изотопный эффект» и эффект «смешивания газов», а, следовательно, и на нагрев ионов в ЭЦР ионном источнике, позволяет дать рекомендации для выбора оптимальных параметров ЭЦР ионного источника в целях увеличения эффективности его работы и обеспечения развития новых плазменных технологий. Эти обстоятельства стимулировали постановку и проведение исследований, являющихся предметом настоящей работы.

Цель диссертационной работы.

Основные задачи диссертационной работы:

1) Вычисление порога параметрической неустойчивости в многокомпонентной плазме (плазме с несколькими сортами ионов) ЭЦР источника ионов. Изучение темпа параметрической раскачки и затухания ионно-звуковых колебаний в многокомпонентной плазме ЭЦР ионного источника.

2) Получение спектра низкочастотных ионно-звуковых шумов в однокомпонентной плазме (плазме с одним сортом ионов) и в двухкомпонентной плазме (плазме с двумя сортами ионов) ЭЦР ионного источника. Сопоставление полученных видов спектров с имеющимися экспериментальными данными.

3) Изучение ионно-звукового турбулентного нагрева однокомпонентной и двухкомпонентной плазмы ЭЦР источника ионов. Получение и решение уравнений временной эволюции температур ионов различных сортов. Определение доминирующих механизмов нагрева ионов в ЭЦР ионных источниках при различных условиях (частота и поляризация внешней ВЧ волны, мощность микроволнового генератора) и выявление оптимальных параметров для эффективной работы ЭЦР ионного источника.

Научная новизна работы.

2. Впервые найдены выражения для спектров ионно-звуковой турбулентности, возникающей за счет параметрической неустойчивости в ЭЦР ионном источнике, для случая однокомпонентной плазмы и плазмы с двумя сортами ионов, обладающих различными отношениями заряда к массе. Динамика установления стационарного спектра ионно-звуковой турбулентности соответствует экспериментальным данным.

3. Предложен механизм бесстолкновительного ионно-звукового турбулентного нагрева многокомпонентной плазмы ЭЦР ионного источника. Показано, что легкие ионы могут более эффективно поглощать энергию ионно-звуковых колебаний, чем тяжелые, что приводит к увеличению времени жизни тяжелых ионов в системе и получению их более высоких зарядовых состояний.

Основные положения, выносимые на защиту:

Практическая значимость работы.

Использование результатов работы.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры экспериментальной физики факультета физико-математических наук Российского университета дружбы народов, Российского Научного Центра «Курчатовский Институт», Института общей физики РАН , а также на научных семинарах кафедры общей физики Московского физико-технического института (государственного университета) и на следующих конференциях: 22nd Summer School and International Symposium on the Physics of Ionized Gases (Bajina Basta, Serbia and Montenegro, August 23-27, 2004), International Conference "Mode Conversion, Coherent Structures and Turbulence" (Moscow, Russia, November 23-25, 2004), 11th International Conference On Ion Sources (Caen, France, September 12-16, 2005), 3-я Курчатовская Молодежная Научная Школа (Москва, 1416 ноября, 2005).

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав и заключения. Во введении обосновывается актуальность диссертационной работы, сформулированы цели и задачи, научная новизна, практическая ценность и положения, выносимые на защиту. Первая глава диссертации посвящена обзору литературы по современным стандартным источникам ионов на электронно-циклотронном резонансе. Здесь описываются физические представления об образовании МЗИ в плазме ЭЦР ионного источника и обсуждаются режимы удержания ионов плазмы в таких источниках. Кроме того, рассматривается влияние вспомогательных легких газов (легких изотопов рабочего газа) на увеличение времени жизни ионов рабочего газа в источнике и раскрывается взаимосвязь «изотопного эффекта» и появления в плазме источника ионно-звуковых низкочастотных шумов. Вторая глава посвящена исследованию параметрических неустойчивостей плазмы ЭЦР источника ионов. В этой главе получены дисперсионные соотношения для параметрически возбужденных потенциальных волн, максимальный инкремент и порог параметрической неустойчивости в многокомпонентной плазме источника. В третьей главе диссертации получены выражения, определяющие спектры ионного звука для случая однокомпонентной плазмы и для случая плазмы, содержащей ионы двух сортов, имеющих различное отношение заряда к массе. Получены уравнения бесстолкновительного ионно-звукового турбулентного нагрева ионов плазмы ЭЦР источника ионов. В качестве примера проведен расчет нагрева ионов аргона Аг10+ в плазме ЭЦР источника ионов, содержащей также небольшое количество ионов гелия Не2*. Результаты расчета показывают, что добавление небольшого количества гелия в аргон приводит к заметному уменьшению температуры аргона. Это означает, что при мощностях, превышающих 50 Вт, энергия ионно-звуковой волны может

Заключение диссертации по теме "Теоретическая физика"

Основные результаты диссертационной работе состоят в следующем:

1. Вычислен порог параметрической неустойчивости в многокомпонентной плазме (плазме с несколькими сортами ионов) ЭЦР ионного источника. Получено выражение для декремента затухания ионно-звуковых колебаний за счет ион -ионных столкновений в многокомпонентной плазме ЭЦР ионного источника.

3. Получены и решены уравнения временной эволюции температур ионов различных сортов. Показано, что в двухкомпонентной плазме за счет ионно-звуковой турбулентности ионы нагреваются по-разному в зависимости от их концентрации, заряда и массы. Выведен критерий, которому должны отвечать параметры ионов балластных легких газов, добавленных в рабочий газ ЭЦР ионного источника, для повышения интенсивности извлекаемых пучков многозарядных ионов.

В связи с проведенным диссертационным исследованием возникает целый ряд новых научных задач и направлений.

Первое направление исследований связано с применением полученных в диссертации результатов для дальнейшего изучения влияния балластных легких газов, добавленных в рабочий газ ЭЦР ионного источника, на увеличение времени жизни ионов рабочего газа. Как было отмечено в главе 3, для выбора оптимального легкого газа, влияющего на эффективность работы источника, необходимо, прежде всего, провести самосогласованное численное моделирование плазмы в ЭЦР ионных источниках с учетом механизма нагрева ионов различных сортов с целью получения энергетических спектров ионной компонентны при варьировании величины магнитного поля и напряженности

СВЧ поля. Численные расчеты предполагают использование уравнений турбулентного нагрева ионов, полученных в диссертационной работе, для ионов каждого сорта и каждой зарядности. С помощью проведенного численного моделирования плазменных процессов в ЭЦР ионном источнике возможно объяснение экспериментально наблюдаемых эффектов [8], а именно существенного увеличения интенсивности пучков МЗИ аргона, криптона и ксенона при добавлении тяжелого изотопа кислорода пО и гелия. Также только с помощью численного моделирования возможно объяснение слабого проявления «изотопного эффекта» и эффекта «смешивания газов» при использовании в качестве балластных газов кислорода 1бО и неона 22Ne. Результаты численного моделирования необходимо также проверить непосредственно с помощью экспериментов, проведенных на ЭЦР ионном источнике. В ходе экспериментального исследования необходимо провести измерение плотности энергии электростатических низкочастотных шумов и токов экстрагированного пучка МЗИ при варьировании величины магнитного поля и напряженности СВЧ поля и использовании различных легких газов в качестве добавочных.

Второе направление - это изучение влияния ионно-звуковой турбулентности на диффузионный уход плазмы на стенки. В однокомпонентной плазме с увеличением СВЧ мощности возрастает уровень ионно-звуковой турбулентности и увеличивается эффективность нагрева электронов. Таким образом, с одной стороны увеличение СВЧ мощности приводит к получению ионов высокой зарядности за счет увеличения скорости ионизации электронным ударом, с другой стороны увеличение уровня плазменной турбулентности приводит к уменьшению времени удержания ионов в источнике, и, следовательно, к увеличению диффузионного ухода плазмы на стенки. Поэтому необходимо определить оптимальное значение СВЧ мощности, при котором эти процессы будут сбалансированы. При этом надо учитывать, что в случае смеси газов, потенциальная плазменная волна затухает гораздо сильнее, чем в чистом газе (глава 2). В этих условиях источник может работать и при очень высокой мощности, что приводит к более сильному нагреву электронов и к получению тяжелых ионов с высоким зарядовым состоянием.

Третье направление исследований связано с возникновением высокочастотной гибридной волны в процессе распада электромагнитной волны

глава 2). Как было отмечено в главе 2, в результате распада исходной электромагнитной волны гибридная и ионно-звуковая волны имеют отличный от нуля разброс по частотам, причем рождаются колебания со сбитыми фазами. В результате обратного слияния этих волн рождается электромагнитная волна, обладающая конечным разбросом по частотам. Между тем, поскольку высокоэнергетические электроны непосредственно нагреваются электромагнитными волнами, то поведение холодных электронов может определяться высокочастотными гибридными волнами и ионно-звуковой турбулентностью. Высокочастотные гибридные волны, очевидно, не способствуют сильному ионному нагреву. Однако, вклад гибридных волн в нагрев холодных электронов, может быть достаточно существенным.

Четвертое направление исследований касается модификации самого механизма ЭЦР нагрева в зеркальной магнитной ловушке при учете параметрических неустойчивостей. В этой связи на кафедре экспериментальной физики факультета физико-математических наук Российского университета дружбы народов совместно с РНЦ «Курчатовский Институт» научным коллективом, куда входит автор диссертационной работы, были начаты исследования влияния параметрически.возбужденных Бернштейновских мод с частотами, близкими к электронной циклотронной частоте, на эффективность ЭЦР нагрева электронов при перпендикулярном распространении электромагнитной волны [73]. Как известно, необыкновенная волна, распространяющаяся поперек магнитного поля с частотой, близкой к электронной циклотронной частоте, может достигнуть поверхности верхнегибридного резонанса, где происходит ее линейная трансформация в Бернштейновскую волну, электрическое поле которой перпендикулярно внешнему магнитному полю. Наряду с этим, при учете эффектов конечного гирорадиуса, в плазме возможно параметрическое возбуждение Бернштейновских мод с частотами, близкими к электронной циклотронной частоте [74]:

Уел(*) = И<УЯе(1+Фя(*)), где ф =I»(z)e <<i; In(z) - модифицированная функция Бесселя. Дисперсионное соотношение для Бернштейновских мод, возбужденных параметрически, будет следующим [74]:

Здесь A = Q-coHe, Jn(a) - функция Бесселя. Таким образом, параметрическая раскачка Берншейновских мод в области электронного циклотронного резонанса зависит от инкремента параметрической неустойчивости у и от расстройки Д.

В работе [73] отмечено, что в ЭЦР источниках рентгеновского излучения, где возможно параметрическое возбуждение Бернштейновских мод, смешивание газов может влиять на увеличение интенсивности рентгеновского излучения. Так, в результате экспериментов на источнике рентгеновского излучения на основе микроволнового разряда во Франции (Laboratoire de Physique et Technologie des Plasmas, Ecole Polytechnique) [21] было показано, что при добавлении небольшого количества гелия в аргон максимум рентгеновского излучения в смеси газов достигал значения порядка 450 эВ. По-видимому, добавление легкого газа в рабочий газ может влиять на увеличение инкремента параметрической раскачки Бернштейновских. мод. В связи с этим в дальнейших экспериментах будет измерен уровень электростатических колебаний при добавлении легкого газа в рабочий газ. Хотя параметрическая раскачка Бернштейновских мод достаточно хорошо исследована, проблема нагрева электронов этими волнами все еще остается неясной. Поскольку Бернштейновские волны распространяются строго поперек магнитного поля, т.е. кц= 0, то линейное затухание Ландау таких волн невозможно. Однако высокий темп нагрева электронов в зеркальной магнитной ловушке в условиях электронного циклотронного резонанса, намного превышающий его классическое значение, позволяет сделать предположение о том, что именно в зеркальной магнитной ловушке существует особый механизм затухания Бернштейновских мод, влияющий на нагрев электронов в плазме.

Заключение

В диссертационной работе проведено исследование влияния параметрической неустойчивости плазмы на нагрев ионов в ЭЦР ионных источниках и построение модели бесстолкновительного ионно-звукового турбулентного нагрева ионов, обладающих различными отношениями заряда к массе.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Вострикова, Екатерина Александровна, Москва

1. Hirvonen J. К., Nastasi М., Hirvonen James К., Mayer James W. Ion solid interactions: fundamentals and applications. Cambridge Univ. Pr. 1996.

2. Rabalais J. W., Al-Bayati A. H., Boyd K. J., Mardon D., Kulik J., Zhang Z., and Chu W. K. Ion-energy effects in silicon ion-beam epitaxy И Physical Review В., — 1996, v. 53, pp. 10781 -10792.

3. Muramatsu M., Kitagawa A., Sato S., Sato Y., Yamada S., Hattori Т., and Shibuya S. Development of the compact electron cyclotron resonance ion source for heavy-ion therapy// Rev. Sci. Instrum. — 2000, v. 71, pp. 984-986.

4. Greiner W. Past and future of heavy ions research // Proceedings of the Symposium "10 Years of Uranium Bea. at the UNILAC, April 2-4, 1986, GSI Darmstadt. GSI-86-19 report 1986, pp. 507-553.

5. Oganessian Yu. Ts. Transmendelevium elements: the present and the future II Proceedings of the Robert A. Wecb Conference on the Chemical Research XXXIV "Fifty tears with transuranium elements", October 22-23, 1990, Houston, Texas, pp. 159-197.

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

7. Geller R. Electron cyclotron resonance ion sources and ECR plasmas. Bristol and Philadelphia: Institute of Physics Publishing, 1996.

8. Drentje A. G. Techniques and mechanisms applied in electron cyclotron resonance sources for highly charged ions И Rev. Sci. Instrum. — 2003, v. 74 (5), pp. 2631-2645

9. Efremov A. A., Kutner V. В., Zhao H. W., Lebedev A. V., Loginov V. N., Yazvitskiy N. Yu. DECRIS 14-2, Design aspects and preliminaiy results. Preprint E-95-111, JINR, Dubna, 1995.

10. Ivanov A. A., Wiesemann K., Ion confinement in electron cyclotron resonance ion source (ECRIS): Importance of nonlinear plasma-wave interaction II IEEE Transactions on plasma science —2005, v. 33 (6), pp. 1743-1762.

11. Drentje A. G. The ECR ion source and associated equipment at the KVI И Nucl. Instrum. Methods Phys. Res.— 1985, v. B. 9, pp. 526-528.

12. Jacquot B. French patent № 83 10862, 1983.

13. Kawai Y., Meyer D., Nadzeyka A., Wo Iters U., Wiesemann K. Isotope effects in an electron cyclotron resonance ion source in mixture ofISN/'4NII Plasma Sources Sci. Technol. — 2001, v. 10, pp. 451-458.

14. Градов О. М., Зюндер Д. Параметрическое возбуждение потенциальных волн в полностью ионизованной плазме вблизи электронно-циклотронного резонанса II ЖЭТФ — 1970, т. 58 (3), с. 979-988.

15. Ivanov A. A., Wolters U., Meyer D., Buzzi J. M., Wiesemann K. Influence of broadened pump wave spectra on the stochastic heating in an ECR mirror machine // Europhys. Lett — 2002, v. 59, pp. 841-847.

16. Efremov A. A., Kutner V. В., Zhao H. W., Lebedev A. V., Loginov V. N., Yazvitskiy N. Yu., Pivarc J. Experimental studies on the gas mixing effect on DECRIS-14-2. Preprint E-95-112, JINR, Dubna, 1995.

17. Голованивский К. С. Зеркальная магнитная ловушка с электронно-циклотронным нагревом плазмы как источник многозарядных ионов (обзор) II Приборы и техника эксперимента— 1995, т. 5, с. 7-26.

18. Meyer D., Nadzeyka A., Remscheid A., Wiesemann К. Light ion heating in electron cyclotron resonance ion sources II Rev. Sci Instrum. — 1996, v. 67, pp. 1325-1327.

19. Rouille C., Serebrennikov K., Bacal M. Maximum x-ray energy from compact electron cyclotron resonance based source of x-rays II Rev. Sci. Instrum. — 2002, v. 73, p. 2287-2291.

20. Andreev V.V., Umnov A.M. Generation of relativistic electron bunches in plasma Synchrotron Gyrac-Xfor hard X-ray production II Problems of Atomic Science and Technology — 2000, v. 1, pp. 3-7.

21. Wolters U. Nonlinear wave phenomena and heating scenario in an ECR-mirror-discharge, Dissertation, Ruhr-Universitaet Bochum, 2001 (in German).

22. Melin G,. Drentje A. G,. Girard A. G, Hitz D. Ion behavior and gas mixing in electron cyclotron resonance plasmas as sources of highly charged ions II J. Appl, Phys. — 1999, v. 86, pp. 47724779.

23. Голованивский К. С., Дугар-Жабон В. Д., Милантьев В. П. О механизме циклотронного нагрева плазмы //Физика плазмы — 1975, том 1 (4), стр. 655-662.

24. Bibinov N. К., Bratsev V. F., Kokh D. В., Ochkur V. I., Wiesemann К. Spectroscopic determination of the cold electron population in very low pressure ECR discharges in N /Hemixtures II Plasma Sources Sci. Technol. — 2005, v. 14, pp. 109-128.

25. Пастухов В. П. Классические продольные потери плазмы в открытых адиабатических ловушках И Вопросы теории плазмы/ под ред. Б. Б. Кадомцева — 1984, вып. 13, стр. 160204.

26. Girard A., Pernot С., Melin G., Lecot С. Modeling of electron-cyclotron-resonance-heated plasmas II Phys. Rev. E — 2000, v. 62, pp. 1182-1189.

27. Boske J. H., Aldabe F. E., Ellis R. E., Getty W. D. Modeling of an electron cyclotron resonance heated mirror plasma for highly charged ions and soft x-ray sources II J. Appl. Phys. — 1988, v.64, p.1055-1067.

28. Girard A., Serebrennikov K., Melin G., Vallcorba R., Lecot C. The role of computational physics in the design ofECRISII Rev. Sci. Instrum. — 2002, v. 73 (3), p. 1145-1148.

29. Girard A., Hitz D., Melin G., Serebrennikov K., Lecot C. Self-consistent modeling of electron cyclotron resonance ion sources II Rev. Sci. Instrum. — 2004, v. 75 (5), p. 1463-1466.

30. Edgell D. H., Kim J. S., Bogatu I. N., Pardo R. C., Vondrasek R. C. Modeling of electron cyclotron resonance ion source plasmas II Proceedings of the 2001 Particle Accelerator Conference, 2001, Chicago, p. 2135-2137.

31. Douysset G., Khodja H., Girard A., Briand J. P. Highly charged ion densities and ion confinement properties in an electron-cyclotron-resonance ion source II Phys. Rev. E — 2000, v. 61 (3), pp. 3015-3022.

32. Bolshukhin D., Meyer D., Wolters U., Wiesemann K. Negative hydrogen ions and evidence for a potential dip in an electron cyclotron resonance discharge for highly charged ions II Rev. Sci. Instrum. — 1998, v.69, p. 1197-1199.

33. Golubev S. V., Razin S. V., Semenov V.E., Smirnov A. N., Vodopyanov A. V., Zorin V. G. Formation of multi-charged ions and plasma stability at quasi-gasdynamic plasma confinement in a mirror trap II Rev. Sci. Instrum. — 2000, v. 71(2), p. 669-671.

34. Ryutov D. D. Physics of open traps // Plasma Phys. Controlled Fusion — 1986, v. 28 (1A), pp. 191-202.

35. Turlapov A. V. Semenov V. E. Confinement of a mirror plasma with an anisotropic electron distribution function И Phys. Rev. E — 1998, v. 57 (5), pp. 5937-5944.

36. Shirkov G.D. A classical model of ion confinement and losses in ECR ion sources II Plasma Sources Sci. Technol. — 1993, v. 2, p. 250-257.

37. Трубников Б. А. Столкновение частиц в полностью ионизованной плазме II Вопросы теории плазмы/ под ред. М.А Леонтовича — 1963. вып. 1, стр. 98-182.

38. Кингсеп А. С. Турбулентный нагрев плазмы (обзор) II Физика плазмы — 1991, том 17(5), стр. 582-590.

39. Drentje A. G. Anomalous charge state distribution in ECRIS for oxygen isotopes И Rev. Sci. Instrum. — 1992, v. 63, p. 2875-2877.

40. Antaya T. A. Review of studies for the variable frequency superconducting ECR ion source project at MSUII J. Physique Coll. — 1989, v. CI, p. 707.

41. Иванов А. А. Взаимодействие высокочастотных полей с плазмой II Вопросы теории плазмы/ под ред. М.А Леонтовича— 1972. вып. 6, стр. 139-209.

42. Силин В. П. Параметрическое воздействие излучения большой мощности на плазму. — Москва: Наука, 1973.

43. Патрушев Б. И., Иванов А. А., Гозак В. П., Франк-Каменецкий Д. А. Низкочастотная неустойчивость электронно-циклотронной волны в плазме II ЖЭТФ — 1970, т. 59, стр. 1080-1082.

44. Иванов А. А., Параил В. В. Об уширении монохроматической циклотронной волны большой амплитуды в плазме И ЖЭТФ — 1971, т. 60(6), стр. 2113-2120.

45. Иванов А. А., Гозак В. П., Параил В. В., Патрушев Б. И. О роли ионного звука при электронном циклотронном нагреве. Препринт 13083, Институт атомной энергии им. И. В. Курчатова, Москва, 1970.

46. Иванов А. А. Физика сильнонеравновесной плазмы. — Москва: Атомиздат, 1977.

47. Горбунов Л.М. Введение в электродинамику плазмы. — Москва: РУДН, 1990 — стр. 39-43.

48. Чен Ф. Введение в физику плазмы. — Москва: Мир, 1987 — стр. 106-112.

49. Галеев А.А., Сагдеев Р.З. Нелинейная теория плазмы II Вопросы теории плазмы/ под ред. М.А Леонтовича— 1973. вып. 7, стр. 3-145.

50. Цытович В. Н. Нелинейные эффекты в плазме. — Москва: Наука, 1967.

51. Кадомцев Б. Б., Петвиашвили В. И. Слаботурбулентная плазма в магнитном поле// ЖЭТФ — 1962, т.43, стр. 22-34.

52. Кадомцев Б. Б. Турбулентность плазмы // Вопросы теории плазмы/ под ред. М.А Леонтовича— 1964. вып. 4, стр. 188 -339.

53. Цытович В. Н. Теория турбулентной плазмы. — Москва: Атомиздат, 1971.

54. Ловецкий Е.Е., Рухадзе А.А. О гидродинамике неизотермической плазмы II ЖЭТФ — 1961, т. 41, стр. 1845-1849.

55. Брагинский С. И. Явления переноса в плазме II Вопросы теории плазмы/ под ред. М.А Леонтовича— 1963. вып. 1, стр. 183-272.

56. Александров А.Ф., Богданкевич Л.С., Рухадзе А.А. Основы электродинамики плазмы. — М.: Высшая школа, 1988.

57. Силин В.П., Урюпин С. А. Ионно-звуковая турбулентность в плазме с двумя сортами ионов IIЖЭТФ — 1992, т. 102, стр. 78-89.

58. Кузора И.В., Силин В. П., Урюпин С.А. Динамическая поляризуемость и теория ионно-звуковой турбулентности плазмы с двумя сортами ионов II ЖЭТФ — 2001, т. 120, стр. 1194-1212.

59. Кузора И.В., Силин В. П., Урюпин С.А. О турбулентном нагреве ионов II Краткие сообщения по физике ФИАН — 2003, т.З, стр. 26-32.

60. Кузора И. В., Силин В. П., Урюпин С. А. Турбулентный нагрев ионов в плазме с двумя сортами ионов II Физика плазмы — 2004, т.30, стр. 339-348.

61. Girard A., Lecot С., Serebrennikov К. S. Numerical simulation of the plasma of an Electron cyclotron resonance ion source // Journal of Computational Physics — 2003, v. 191(1), pp. 228248.

62. Брейзман Б. H. Коллективное взаимодействие релятивистских электронных пучков с плазмой // Вопросы теории плазмы/ под ред. Б. Б. Кадомцева — 1987. вып. 15, стр. 55 -144.

63. Вострикова Е. А., Иванов А. А., Серебренников К. С. Модель турбулентного нагрева ионов в источнике многозарядных ионов на электронно-циклотронном резонансе II Вестник РУДН, Серия Физика—2005, № 1 (13), стр. 157-169.

64. Elizarov L. I., Ivanov A. A., Serebrennikov К. S., Vostrikova Е. A. Differential turbulent heating of different ions in electron cyclotron resonance ion source plasma // Rev. Sci. Instrum. — 2006, v. 77(3), pp. 03A327-1 03A327-3.

65. Коврижных JI. M. О квазилинейной теории ионно-звуковых волн // ЖЭТФ — 1966, т. 51(3), стр. 915-920.

66. Mikhailenko V. S., Stepanov К. N., Scime Е. Е. Strong ion-sound parametric turbulence and anomalous anisotropic plasma heating in helicon plasma sources И Physics of plasmas — 2003, v. 10 (6), pp. 2247-2253.

67. Kline J. L., Scime E. E. Parametric decay instabilities in the HELIX helicon plasma source // Physics of plasmas — 2003, v. 10 (1), pp. 135-144.

68. Рис. 1.1. Схема стандартного ЭЦР источника ионов.

69. Рис. 1.2. Схема современного ЭЦР источника ионов и его магнитной конфигурации 8.

70. Рис. 1.3. Токи ионов аргона каждой зарядности 24.

71. Рис. 1.4. Зависимость тока экстракции и температуры ионов Аги+ от мощности микроволнового генератора 25.

72. Рис. 2.2 а. Дисперсионные кривые для правополяризованной волны,распространяющейся вдоль магнитного поля.

73. Рис. 2.2 б. Моды Трайвелписа -Гоулда при условии соре > соНе.

74. Рис. 2.3. Распад волны накачки.

75. Рис. 2.4 Зависимость декремента затухания ионного звука с учетом малого параметра а от дисперсии зарядового состояния аргона 60. Рис. 3.1. Схематический вид спектра ионно-звуковых колебаний.

76. Рис. 3.2. График функции Im F(z) = -zyfne'*2.

77. Рис. 3.3. Схематический вид спектра ионного звука при к — kQ<k^.

78. Рис. 3.4. Схематический вид спектра ионного звука при к- kQ « kg. Рис. 3.5. Нагрев ионов аргона в чистом газе и в смеси аргон-гелий.1. Благодарности

79. И самое большое спасибо моим родителям за все то, чему они меня научили, за понимание и поддержку.