Разработка источника ионов ЭЦР-типа DECRIS и исследование физико-технических условий получения многозарядных ионов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

РГ6 од

-1 1 1Q0A На правах рукописи

9-94-101

ЕФРЕМОВ Андрей Александрович

УДК 621.3.038.612

РАЗРАБОТКА ИСТОЧНИКА ИОНОВ ЭЦР-ТИПА DECRIS И ИССЛЕДОВАНИЕ

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ПОЛУЧЕНИЯ МНОГОЗАРЯДНЫХ ИОНОВ

Специальность: 01.04.20 — физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Дубна 1994

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Ускоренные тяжелые ионы находят все более широкое применение в различных областях фундаментальной физики: исследовании структуры ядра и ядерных взаимодействий1 синтезе новых сверхтяжелых элементов и легких нейтроноизбыточных изотопов, находящихся вблизи границы стабильности23 и т.д. Пучки тяжелых ионов применяются для исследований в области атомной физики, для решения прикладных и технологических задач.

Интерес к этому направлению исследований подтверждается тем, что после ввода в действие крупных ускорителей тяжелых ионов У-400 ЛЯР ОИЯИ (Дубна), и UNILAC GSI (Германия) создан трехциклотронный ускорительный комплекс GANIL (Франция), в процессе наладки находится ускорительный комплекс У-400 + У-400М ОИЯИ (Дубна) и многие другие. В короткий период с 1987 по 1989 годы осуществлен запуск ионных накопителей IUCF cooler (США), TARN 2 (Япония), TSR MPI (Германия), CELCIUS (Швеция). Создается тяжелоионный накопитель COSY (ФРГ) и проектируется накопительное кольцо в ОИЯИ (Дубна).

К современным ускорительным комплексам тяжелых ионов предъявляются все более жесткие требования по повышению энергии и интенсивности ускоренных пучков, обеспечению долговременной стабильности пучка, снижению энергетического разброса пучка для проведения прецизионных исследований в области ядерной спектроскопии. Кроме того, в последнее время повышается интерес к ускоренным пучкам редких и радиоактивных изотопов.

Одним из составных элементов ускорительного комплекса, во многом определяющего его параметры, является ионный источник. В настоящее время почти на всех крупных тяжелоионных ускорителях западных стран используются источники ЭЦР-типа (источник с нагревом плазменных электронов СВЧ-волной в области Электронного Циклотронного Резонанса). По сравнению с традиционными дуговыми источниками, ЭЦР-ионные источники обладают следующими основными преимуществами:

freiner W. Past and future of heavy ion research. -In: Proc. of the Symposium "10 Years of Uranium Bea. at the UNILAC, April 2-4, 1986, GSI Darmstadt. -GSI-86-19 report 1986, p.507-553.

2Oganessian Yu. Ts. Transmendeleviurri elements: the present and the future.-Proc of the Robert A. Welcb Conference on Chemical Recearch XXXIV "Fifty years with transuranium elements". October 22-23, 1990, Houston, Texas, p.159-197.

3Oganessian Yu. Ts., Penionzhkevich Yu. E., Ter-Akopian G. M. Investigations of exotic nuclei in Dubna. -In: Proc. of the Int. Conf. on Exotic Nuclei, 1-5 October 1991, Foros, Crimea. -World Scientific, Singapore, 1992, p.3-35

магнитного потока в рабочей области, состоящий из 12 одинаковых трапецеидальных секторов. 1

3. Экспериментально-обнаружено, что в ЭЦР-источниках с классической магнитной конфигурацией оптимальное распределение магнитного поля вдоль оси источника является сугубо несимметричным.

Практическая ценность работы.

1. Создание источника высокоинтенсивных пучков многозарядных ионов позволяет существенно расширить возможности существующих ускорителей многозарядных ионов как с точки зрения интенсивности пучков многозарядных ионов, так и с точки зрения максимальной энергии пучков тяжелых ионов.

2. Повышение эффективности работы ускорителей тяжелых ионов за счет существенного увеличения времени непрерывной работы источника, а также за счет более эффективного использования рабочих веществ, что имеет исключительное значение при работе с дорогостоящими разделенными изотопами.

3. Использование результатов исследований для создаваемого в настоящее время компактного ЭЦР-источника для циклотрона У-400М и разработки оригинального ЭЦР-источника для получения пучков радиоактивных ионов.

Апробация работы.

Результаты проведенной работы докладывались на XIX Международной Конференции по Явлениям в Ионизованных Газах, (Белград, Югославия 1989), V Международном Симпозиуме по источникам EBIS и их применению (Дубна, 1991), I Международном Семинаре ИЯИ по Ускорителям (Киев, 1991), X Всесоюзной Конференции по Постоянным Магнитам (Суздаль 1991), Рабочем Совещании по Источнику Ионов с Электронно-циклотронным Резонансом (Дубна 1991), XII и XIII Совещаниях по Ускорителям Заряженных Частиц (Москва 1990, Дубна 1992), 3 Европейской Конференции по Ускорителям (Берлин, ФРГ 1992) Киевском Семинаре по Физике и Технике Интенсивных Источников Ионов и Ионных Пучков (Киев 1992, 1993), Международной Школе-Семинаре по Физике Тяжелых Ионов (Дубна, 1993), II Международном Рабочем Совещании по СВЧ-излучению в Плазме (Нижний Новгород 1993), 11 Международном Рабочем Совещании по ЭЦР-источникам (Гронинген, Голландия, 1993), 5 Международной Конференции по Источникам Ионов (Пекин, Китай, 1993). ■ '

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 26 работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы; содержит 111 страниц ма-

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность создания источника многозарядных ионов ЭЦР-типа, приводится краткое содержание диссертации.

Первая глава посвящена обзору физических и технических аспектов создания ЭЦР - источников ионов. Рассмотрены элементарные процессы в плазме источника, приводящие к потерям и образованию многозарядных ионов. Показано, что основным процессом потерь ионов в плазме ЭЦР-источника является перезарядка на нейтралях. На основании простой модели проведены оценки концентрации нейтралей на оси разрядной камеры для источников, работающих на различных частотах, результаты которых приведены в Таблице 1- .

Таблица 1. Значения пробегов и концентрация нейтралей на оси разрядной камеры для нескольких характерных частот накачки.

ДГГц) БА:(СМ) пс(см 3) г (с) 1,(мм) ^(см-3)

2.45 10 3.5хЮ10 1.6х10~5 90 2хЮ10

6.4 9 2.5x10й 2.2x10-® 11 6х108

10 7 0.6 хЮ'2 9.2х 10~7 4.6 2х107 .

14 7 1.2х1012 4.6 х Ю-7 2.3 9х103

16 7 1.6х1012 3.4х10~7 1.7 4x10'

£ - частота накачки, п - плотность плазмы, Б а, - диаметр разрядной камеры, т, 1; - время и пробег нейтрального атома до ионизации, - концентрация нейтралей на оси разрядной камеры.

Показано, что получение многозарядных ионов при использовании частот накачки менее 10 ГГц в значительной степени затруднено наличием высокой концентрации нейтралей в плазме. Приведено описание конструкций нескольких ЭЦР-источников и рассмотрены возможные пути улучшения их характеристик за счет использования смесей газов, повышения частоты накачки и общего уровня магнитного поля, использования импульсного режима работы.

Во второй главе представлены результаты исследования макета ЭЦР -источника с частотой накачки 2.45 ГГц. На макете источника (Рис. 1), представляющем из себя одномодовый резонатор, настроенный на моду ТЕт. получены ионы азота до ]Ч3+ при суммарной интенсивности, не превышающей нескольких мкА.

Максимальное поглощенно СВЧ-волны плазменными электронами осуществлялось на верхнегибридном резонансе и имело нестабильный характер. По-

5

катушки гексаполь мягкое железо - изолятор , ... Рис. 2. Схема источника многозарядных ионов DECRIS

ных" реаонансов в районе экстракции и ввода СВЧ-мощности. Окончательные расчеты проводились с помощью пакета программ, использующих интегральную методику и позволяющих производить расчеты трехмерной картины магнитного поля.

Формирование аксиального магнитного -поля ионного источника осуществляется с помощью охлаждаемых водой медных соленоидальных катушек. В отличии от источника MINIMAFIOS, где для охлаждения катушек применяется специальная магистраль с давлением охлаждающей жидкости 20 кГ/см2, в источнике DECRIS используется общая магистраль охлаждения с давлением дистиллята около 5 кГ/см2, что приводит к ограничению длины проводника в катушках. Для Обеспечения необходимого количества ампер-витков катушки имеют меньший внешний диаметр и большую, по сравнению с прототипом, протяженность. Система катушек обепечивает создание зеркальной конфигурации как в камере предварительной ионизации так и в основной ионизационной камере. Расчетное и измеренное распределения магнитного поля на оси источника приведены на рисунке 3: Потребляемая катушками электрическая мощность при токе 1000 А составляет 130 кВт. Для обеспечения регулировки распределения магнитного поля питание катушек осуществляется от двух выпрямителей с независимой регулировкой.

Для формирования радиальной компоненты магнитного поля в основной

Рис. 5. Топография магнитного поля во второй ступени источника .

расчеты магнитного поля для гексаполей различной толщины. Согласно расчетам был выбран внешний диаметр гексаполя 190 мм. Данная конструкция гексаполя и специально разработанная технология его сборки обеспечила возможность получения величины магнитной индукции на рабочей поверхности гексаполя, превышающей 1 Т при неравномерности поля по ааимуту менее 3%.

Топография сформированного магнитного поля в основной ионизационной камере показана на рис.5. Резонансная поверхность -Вгез ~ 0.5Т симметрично расположена внутри ионизационной камеры и нигде не пересекает ее стенок. Магнитное поле равномерно возрастает от уровня приблизительно 0.4 Т в центре камеры до 1 Т на ее поверхности.

В качестве СВЧ-генератора использован выпускаемый серийно передатчик спутниковой связи, работающий в диапазоне 14-Ь- 14.5 ГГц. Усилителем мощности является многорезонаторный клистрон воздушного охлаждения с выходной мощностью до 2.2 кВт и полосой усиления около 70 МГц. Мощность от усилителя через ферритовый вентиль передается к источнику по волно-водному тракту, выполненному на волноводах сечением 19x9.5 мм с целью сокращения на 25% потерь мощности при ее транспортировке. Высоковольтная изоляция волноводного тракта осуществляется с помощью одного или нескольких слоев полиамидной пленки толщиной 0.1 мм, обеспечивающей изоляцию до 30 кВ. Гермоокно "баночного" типа, изготовленное из нитрида бора, присоединяется непосредственно к вакуумной камере источника.

Как отмечалось ранее, подавление процессов перезарядки в основной ступени ионизации накладывает жесткие требования на вакуумные условия в ионном источнике. Ограниченные проходные сечения для откачки требуют

. Р \Вт\

Рис. 7. Зависимость" тока ионов от вводимой СВЧ-мощности

И-

I мкА 300f-

100

150

200

250

50

0

б

7

g

Z

9

10

11

Рис. 9. Сравнение выхода ионов аргона из источников PIG.

ется при этом на спаде магнитного поля, т. е. в первой ступени- отсутствует зеркальная ловушка. Аналогичная конфигурация магнитного поля исйользу-ется в источниках типа CAPRICE. Уровень магнитного поля в максимуме в этом случае удается увеличить на 0.5 Т по сравнению с первоначальным вариантом и он достигает величины 1.3 Т, а зона резонанса, в первой ступени приближается к основной ионизационной камере примерно на 10 см.

В результате проведенных эксперименто получено, что оптимальное распределение магнитного поля вдоль оси источника сугубо несимметрично: порядка 0.7 - 0.8 Т в области экстракции и более 1.2 Т в области первой ступени. Показана возможность работы ионного источника как в классическом двух-стадийном варианте, так и при использовании коаксиального СВЧ-ввода с редуцированной первой ступенью. —

Сравнение результатов по выходу ионов аргона из источника DECRIS с результатами, полученными на источниках аналогичных конструкций, а также из дугового источника, приведены на рис. 9.

В заключении сформулированы основные результаты разработок и исследований источника DECRIS:

1. Рассмотрены основные процессы образования и потерь ионов в плазме с характерными для ЭЦР-источника параметрами. Показано, что что обмен энергией между горячими электронами и ионами за счет упругих столкновений может происходить- «а времена., значительно превышающие время жизни ионов в ловушке. В результате этого ионы остаются

MINIMAFIQS и DECRIS

точника, а также другие вспомогательные системы, обеспечивающие его работу. ...

Система СВЧ-питания позволяет вводить до 2 кВт С В Ч- мощности в рабочую область и предусматривает вакуумную и высоковольтную (до 30 кВ) изоляцию ионизационной камеры от волноводного тракта. Элемент подстройки связи волноводного тракта с резонатором позволил получить значения отраженной мощности в рабочем режиме в диапазоне 1 - 10 %.

5. Проведены эксперименты по получению, пучков многозарядных ионов газов в непрерывном режиме. Найдены оптимальные режимы работы источника. В результате получены токи ионов Аг8+ более 100 мкА, токи ионов М6+, 07+, Аг11+, превышающие 15 мкА.

Экспериментально установлено, что при увеличении мощности СВЧ-накачки суммарный ионный ток и токи ионов отдельных зарядностей монотонно возрастают, причем скорость роста существенно снижается при мощностях более 500 Вт. При достижении определенного предела, лежащего в диапазоне мощностей 500 - 800 Вт происходит срыв разряда. Значение максимальной мощности, вводимой в разряд, определяется как распределением магнитного поля, так и количеством подаваемого в источник газа.

6. Исследовано влияние добавочных газов на выход многозарядных ионов. Показано, что использование легких добавочных газов при получении многозарядных ионов средних и тяжелых масс приводит не только к увеличению выхода многозарядных ионов, но и существенно (в 2 - 4 раза) позволяет снизить расход рабочего вещества, что является важным при получении ионов разделенных изотопов.

При использовании в качестве добавочного газа кислорода интенсивность пучка ионов Аг8+ увеличена в 1.6 раза, а Аг11+ в два раза по сравнению с работой на чистом аргоне.

7. Проведено экспериментальное изучение импульсного режима СВЧ-питания источника. Установлено, что амплитуды импульсов тока многозарядных ионов в режиме "послесвечения" в 2-5 раз превосходят значения тока во время СВЧ-импульса. Длительность импульса "послесвечения" на полувысоте порядка 1 мс.

Время выхода амплитуды ионного тока на насыщение для Аг8+ и водо-родоподобных ионов азота и кислорода лежит в диапазоне 20 - 30 мс.

вещания по источнику ионов с электронно-циклотронным резонансом (ЭЦР) 29-31 января 1991 г., Р.9-91-263, с. 12-13

■4.Кутнер В.Б., Ефремов A.A., Бехтерев В.В., Бири Ш., Ковальчук И.М., Колесов И.В., Лебедев А.Н., Оганесян Ю.Ц., Пиварч Ю., Чугреев В. А. Источник многозарядных ионов DECRIS-14 для циклотронов ЛЯР ОИЯИ. -Тезисы докладов XII Всесоюзного Совещания по Ускорителям заряженных частиц, 3-5 октября 1990 г., ИТЭФ, Москва, с. 1С6

5-Biri S., Efremov A.A., Kutner V.B. The design of the ECR.-sources at the LNR JINR. -Scientific Report LNR JINR 1989-1990, E7-91-75, Dubna, 1991, p.208-209

6.Акишин П.Г., Ефремов A.A. Математическое моделирование магнитной системы ЭЦР-источника. -Сборник аннотаций Рабочего совещания по источнику ионов с электронно-циклотронным резонансом (ЭЦР) 29-31 января 1991 г., Р9-91-263, с. 14-15

7.Акишин П.Г., Ефремов A.A., Кутнер В.Б. Расчет магнитной структуры источника DECRIS-14. -Сообщения ОИЯИ, Р9-91-555, Дубна, 1991. 4 с.

8.Ефремов A.A., Бири Ш., Бехтерев В.В., Молнар И. Комплекс для измерения полей в осесимметричных магнитных элементах. -Тезисы докладов XII Всесоюзного Совещания по Ускорителям заряженных частиц, 3-5 октября

1990 г., ИТЭФ, Москва, с. 44

9. Бири Ш., Ефремов A.A., Молнар И. Интерфейс для управления и автоматического измерения на основе ПК типа IBM PC ХТ/АТ. -Микропроцессорные средства и системы, No 4, 1990, с. 79-80

Препринт ОИЯИ, Р10-89-166, Дубна, 1989

Ю.Ефремов A.A., Кутнер В.Б./Чугреев В.А., Гриднев А.И., Клевец Н.И.. Чохели М.А. Гексаполь для1 источника многозарядных ионов ЭЦР-типа. -Тезисы докладов X Всесоюзной конференции по постоянным магнитам. Суздаль, 14-18"октября 1991 г,, М., 1991, с. 198

11.Efremov A., Kutner V.B., Chugreev V.A., Gridnev A.I., Klevec N.I., Choheli М.А. Permanent magnet hexapole for ion source DECRIS. -Preprint JINR, E9-92-495, Dubna, 1992, 8 p.

12.Ефремов A.A., Кутнер В.Б., Лебедев А.Н., Чугреев В.А. СВЧ-систсма ЭЦР-источника DECRIS-14. -Сборник аннотаций Рабочего совещания по источнику ионов с электронно-циклотронным резонансом (ЭЦР) 29-31. января

1991 г., Р9-91-263, с. 32-33

13.Efremov A.A., Ivancnko АЛ., Kutner V.B., Pivarch J., Tumanov K.D. Vacuum system for the Dubna. ECR-ion source DEC'RIS-14. -Vacuum, v.44, N.10. 1993, p.983.-980

24.Kutner V.B., Efremov A. A. Status and evolution of ion source DECRIS and prospects of ECR ion sources coupling to FLNR accelerators. -Abstracts of the 2th Int. Workshop on Strong Microwaves in Plasma, Nizny Novgorod, Russia. August 15-22 1993, IAP Russian Academy of Sciences, p. D-22

25.Efremov A., Kutner V.B.. Lebedev A.N.,Pivarch J., Chugreev V.A. An ECR ion source DECRIS. -Abstracts of the 5th Int. Conf. on Ion Sources. Beijing, China, August 31 - September 4 1993. Inst, of Heavy Ion Physics, Peking University, p. 7

26.Wei B., Liu Z., Zhang W., Wu D., Zhao H., Yuan P., Zhang X., Ma Y., and Efremov A. Study of the magnetic field of CAPRICE type ECR source. -Proc. of the 13t.il Int. Conf. on Cyclotron and Their Application. Vacouver, Canada, July 6-10, 1992, G.Dutto and M.K.C'raddock editors. World Scientific, 1993, p. 344-347

Рукопись поступила в издательский отдел 25 марта 1994 года.