Теоретические и экспериментальные исследования с целью оптимизации пучка многозарядных ионов из источника DECRIS тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

pre од

- 2 9 МАЙ 1985

ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

9-95-184

На правах рукописи УДК 621.3.038.612

ЧЖАО Хунвей

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ С ЦЕЛЬЮ ОПТИМИЗАЦИИ ПУЧКА МНОГОЗАРЯДНЫХ ИОНОВ ИЗ ИСТОЧНИКА DECRIS

Специальность: 01.04.20 — физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Дубна 1995

Работа выполнена в Лаборатории ядерных реакций им. Г.Н.Флерова Объединенного института ядерных исследовании.

Научные руководители: кандидат технических наук

старшин научный сотрудник кандидат технических наук

В.Б.Кутнер А.А.Ефремов

Официальные оппоненты: доктор технических наук доктор физико-математических наук

Р.Ц.Оганесян Г.Д.ШиркоЕ

Ведущая научная организация: Российский научный центр " Курчатовский Институт " Институт Общей и Ядерной Физики, г. Москва

Защита диссертации состоится " " 1995 г. в " '

часов на оаседании специализированного совета Д-047.01.06 при Лаборато рии сверхвысоких энергий Объединенного института ядерных исследований г. Дубна Московской области.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИЯЙ.

Автореферат разослан

1995 г.

Ученый секретарь специализированного совета

кандидат физико-математических наук

В.Г.Кривохижи

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

С развитием ядерной физики тяжелых ионов и атомной физики ионные учки высокой энергии, высокой интенсивности и высокой оарядности ста-эвятся все более и более важными. II как следствие за последние десять ч во всем мире были предложены проекты сооружения новых ускорителей, ли модернизации действующих. Одной из наиболее важных задач для таких ■корнтельных систем является разработка II создание надежного и с боль-им ресурсом работы ионного источника высокозарядных ионов большой пп-^нсивногтп. Одним из наиболее эффективных способов получения интенси-1ых и высокозарядных пучков является испопьоование источника ионов с гектронно-циклотронным резонансом (ЭЦР). Это подтверждает существенен"! прогресс в развитии ЭЦР источников во всем мире оа последние десять т. в настоящее время более 50 ЭЦР-источников используются для получе-1Я многозарядных ионов. Однако развитие ЭЦР источников по-прежнему :тается актуальной задачей, так как в значительной мере определяет воз-тности тяжелоионных циклотронов, линейных ускорителен, синхротронов, [копительных колец, ускорителей радиоактивных пучков, коллайдеров тяже-•IX ионов нового поколения, а также исследований в области атомной физики. 1Кой широкий спектр приложений ЭЦР источников ионов определяется сле-юшимп их преимуществами:

• получением высокозарядных состояний (до Лг18+ или РЬАа+)

• отличной стабильностью в работе (несколько недель для газообразных элементов)

• высокой интенсивностью (до 1 тА для Оа+ и несколько десятков микроампер для ионов твердых веществ)

• широким набором ионов (от любых газов до \У, Та, II)

• надежностью ( практически безостановочная работа ио-оа отсуствия проблем, связанных с распылением электродов)

• простотой управления (всего 3-5 настраиваемых параметров)

ЭЦР-источник был впервые создан Р. Желлером и его группой в Грено-5 (Франция) для получения многозарядных ионов в 1974г. С тех пор физика

и технология ЭЦР-источников для получения многозарядных ионов быстр продвинулись благодаря усилиям нескольких лабораторий. 3а, последние д< сять лет ЭЦР-источники ионов получили развитие от больших размеров большим потреблением мощности, комплексных прототипов (типа SUPEP MAFIOS, MINIMAFIOS) до компактных простых, эффективных с высоким характеристиками получения многозарядных ионов.

Цель работы :

1. Создание ЭЦР источника высокозарядных ионов.

2. Экспериментальное и теоретическое изучение эффекта смешивания г: зов на выход многозарядных ионов из источника.

3. Разработка оптимизированного компактного ЭЦР-источника многоз; рядных ионов.

Научная новизна :

1. Впервые в странах-участницах ОИЯИ разработан компактный ЭЦР и точник ионов нового поколения.

2. Впервые в ЭЦР источнике используется новая конструкция гексаполя непрерывным изменением оси легкого намагничивания.

3. Впервые экспериментально исследовано влияние смеси газов и отрицат льного потенциала в плазме ЭЦР разряда на выход высокозарядных и нов из источника, а также теоретически изучен эффект впомогател ного газа на параметры плазмы ЭЦР-источника.

Практическая ценность работы.

1. Созданый и исследованый ЭЦР-источник установлен на циклотроне i желых ионов У-400М и позволяет сушественно расширить диапазон ус: ренных ионов, энергию и интенсивность пучков.

2. Реализация режимов разряда в ЭЦР-источнике с использованием эффс тов отрицательного потенциала и смеси газов позволяет существен увеличить интенсивность пучков высокозарядных ионов. Применен вспомогательного газа позволяет значительно (на 60% ) снизить рас> рабочего вещества, что исключительно важно для получения пучков i нов обогащенных и радиоактивных изотопов.

2

3. Разработанный компактный ЭЦР источник позволяет получить высокие параметры пучков ионов при существенном упрощении технической реализации, удешевлении стоимости создания и эксплуатации. Благодаря высокой эффективности и уникальной конструкции предусматривается возможность использования компактного ЭЦР-источника в проекте развития циклотронного комплекса ЛЯР ОИЯИ для получения ускоренных пучков ионов радиоактивных изотопов (U400M+ECRIS + U400).

Апробация работы.

Работы включенные в диссертацию были представлены на Международных , Национальных конференциях, в том числе:

13ili International Conference on Cyclotron and Their Application (Vacouver, 'anada, 1992); 29t-h European Cyclotron Progress Meeting (Dubna, Russia, 1994); iternational Workshop on Physics with Polarized Beams and Targets (Prague, !zech Republic, 1994); 7th International Conference oil the Physics of Highly Iharged Ions (Vienna, Austria, 1994); First International Symposium on Beam technologies BT'95 ( Dubna, Russia, 1995).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 10 рабо-ах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, "тырех глав, заключения и списка литературы; содержит 121 страниц ма-пнописного текста, в том числе 72 рисунков. 11 таблиц и список цитируемой хтсратуры из 110 наименовании.

На защиту выносятся следующие положения, результаты, разра-отки:

1. Создание нового современного ЭЦР источника ионов DECRIS-14-2 (Du-

bua Electron Cyclotron Resonance Ion Source at 14 GHz) для циклотрона тяжелых ионов ЛЯР ОИЯИ.

2. Реализация магнитной системы с предельно высоким уровнем магнитного поля до 1,2 Т в аксиальном направлении н более 1.0 Т на стенке

разрядной камеры в радиальном направлении.

3. Получение интенсивных высокозарядных пупсов ионов ( !Ь(0П| , 135 /(А; "'Лг" + , 25 //А; 1,2А rllS+.31 /iА ) при использовании ¡электрода с отрицательным потенциалом и эффекта смеси рабочего и дополнительного газов, увеличивающих ток пучка ионов высоких зарядов более, 'чем в 2 раза, по сравнению с ионным источником с допольнительной ступенью ионизации.

4. Проведение численных расчетов на основе созданной модели баланса частиц и интерпретация эффекта смеси газов на выход многозарядных ионов как суперпозиция нескольких факторов: ионного охлаждения, увеличения электронной плотности и провисания потенциала, уменьшения среднего зарядового состояния и других, среди которых первые два являются доминирующими.

5. Оптимизация и разработка компактного ЭЦР-источника. ионов на частоте 10 Ггц с параметрами, сравнимыми с лучшими источниками ионов на частотах 14 Ггц, за счет новой магнитной структуры гексаполя с непрерывным изменением оси легкого намагничивания.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность развития и сегодняшнее состояние ЭЦР-источников для многозарядных ионов, сформулированы цели и задачи диссертации, приводится краткое содержание диссертации.

Первая глава содержит описание основных принципов работы ЭЦР-источников ионов и их систем. Исследованы и обсуждены вопросы согласованного ввода в плазму СВЧ-мощности, поглощения электромагнитного излучения в плазме и движение электронов в ЭЦР-ловушке. Рассмотрены параметрь плазмы ЭЦР разряда такие, как электронная и ионная температуры, плот ность плазмы, время удержания, потенциал в плазме и энергетический разбр ос ионов ЭЦР-источников на базе данных различных лабораторий мира. С учетом тенденций современного развития показаны пути оптимизации ЭЦР источников ионов за счет дополнительной инжекции электронов в плазм; разряда, увеличения уровня магнитного поля, использования смеси газов, уве личения ионизационного объема и частоты СВЧ-накачхи.

Во второй главе представлены особенности конструкции ЭЦР-источни ка DECRIS-14-2, экспериментальные исследования и результаты по оптими зации выхода многооарядных ионов. Даны физические и технические аспект! получения ионов твердых веществ, методика измерения эмиттанса пучко многозарядных ионов.

На рис. 1 показана структурная схема ионного источника DECRIS-14-^ Конфигурация магнитного поля с "минимумом В" создается в результат суперпозиции акциальной магнитной ловушки от двух катушек и радиальног гексапольного поля постоянных FeNdB магнитов. СВЧ система включает себя коммерческий генератор на 14 ГГц и волноводный тракт, согласованны

резонатором ЭЦР-источника. Вакуум на уровне 1 х Ю-5 Па обеспечивается вумя турбомолекулярными насосами, осуществляющими откачку ионного ис-очника со стороны инжекции рабочих веществ и экстракции ионного пучка

:>ответственно.

Два соленоида расположены на краях гексаполя и вделаны в железное ярмо, а рис. 2 показано измеренное аксиальное магнитное поле. Аксиальная ма-штння ловушка, как видно, создана внутри гексаполя. Максимум аксиаль-пго распределения магнитного поля со стороны инжекции достигает 1,2 Т. радиент магнитного поля вдоль радиуса и оси также очень высок и соста-тяет от 0,4 до 1,2 Т, что является необходимым для наибольшего выхода цогозарядных ионов. Амплитуда аксиального магнитного поля в области хтракции в этом случае должна составлять около 0,85 Т.

Высокий уровень аксиального магнитного поля достигнут за счет опти-изации соленоидальных катушек. Минимальный внутренний размер ка,ту-ек определяется минимизацией гексаполя. Гексаполь имеет специальную гео-зтрию и состоит из набора колец двух разных внешних диаметров. Центральна часть гексаполя, которая расположена между катушками имеет большую шщину, чтобы получить интенсивное радиальное поле на стенке разрядной меры и тем самым улучшить условия удержания плазмы в разряде. Боко-1С кольца гексаполя имеют меньший внешний диаметр, чтобы уменьшить [утренний размер катушек и тем самым добиться максимального аксиально поля. Два центральных кольца гексаполя состоят из 24 сегментов ка-дый, внешние кольца - из 12. измеренное радиальное магнитное поле всего ксаполя было измерено вдоль оси и представлено на рис. 3.

ЭЦР- источник БЕСШ5-14-2 был испытан и исследован при получении иов аяота, кислорода, неона, аргона и ксенона. Получение высокозарядных иов этих газов было оптимизировано с использованием аффекта смеси газов электрода с отрицательным потенциалом (без первой ступени источника), зультаты собраны в таблица 1.

В таблице 2. представлены типичные токи ионов и факторы роста тока

II ¡эффектах смеси газов и отрицательного потенциала.

Сравнение выхода ионных токов из источника с первой ступенью и отрица-чьным потенциалом (без первой ступени) показано в таблице 3 ( в обоих ,'чаях с аффектом смеси газов ).

gas feed

- coils (gj - hexapole Рис.1. Схема DECRIS-14-2.

- iron

12000.0 11000.0 10000.0 9000.0 8000.0 7000.0 О «000.0 CQ 5000.0 4000.0 3000.0 2000.0 1000.0 0.0

. и ГТ'ГТТ Т П 1 / В Measurement $ 11 =12=933 А / \ / Г- 1 1 1 г ч 1 ТТ 1. \ } \ \ • \ i i i I 1

/ ' • ....... ' ' д Calculation 11=12=933 А I

10 IS

20 25 30 35 40 45

L (cm)

Рис.2. Распределение аксиального магнитного поля.

Таблица 1. Результаты, полученные в первых экспериментах на источнике ионов БЕСШ5-14-2. Токи ионов (е//А) получены при СВЧ мощности менее 250 ватт и вытягивающем напряжении 10 кВ.

I \ <3 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

иу 110 20

160 180 135 24

90 56 20

<аАг 166 98 25

132Хе 20 23 26 | 29 31 28 18

Таблица 2. Результаты исследований выхода высокозарядных ионов из песочника (е/г А) для кислорода, аргона и ксенона в случае использования первой ступени, а также эффекта смеси газов и отрицательного потенциала.

I ( ИА ) первая ступень отрицательный потенциал + смесь газов фактор увеличения

1606+ 60 135 2.25

11 25 2.27

1.42^,18 + 14 31 2.21

Таблица 3. Сравнение типичных ионных токов из БЕСШ8-14-2 в случае ('.пользования первой ступени с электродом под отрицательным потенциалом ли без него, (в обоих случаях - с эффектом смеси газов).

I ( /1.А ) первая ступень электрод с отрицательным потенциалом фактор увеличения

и'()'''+ 90 135 1.5

03 98 1.50

юАг п + 10.5 25 1.52

132 \'г18+ 23 31 1.35

К!2А>1:1+ - 22 28 1.27

При оптимизации ионного источника с электродом под отрицательным по-¡чщналом токи .многозарядных ионов сна,чала, растут, затем достигают на-лщения. На. рис. 4 покапана зависимость тока ионов Аг'+ от потенциала на к'.ктроде. Оптимальное значение отрицательного потенциала на электроде 1Я различных зарядностей зависит в свою очередь от уровня аксиального

1.50

1.20

Р

•о

43 0.90 £ U

I 0.60

ьо «

0.30 0.00

0 32 64 96 128 160 192 224 Axial Position Z (mm)

Рис.3. Измеренное радиальное магнитное поле гексаполя вдоль оси на различных радиусах.

0

150

30 60 90 120

Negatively Biased Potential (V)

Рис.4. Зависимость ионного тока Аг9+ от потенциала

отрицательного электрода.

;агнитного поля, СВЧ-мощности и расхода газа. Например, величина опти-изированного отрицательного потенциала возрастает от СВЧ-мощности и ассы ионов.

Сравнение результатов, полученных в первых экспериментах на DECRIS-4-2 с лучшими мировыми данными представлено на рис. 5.

В третьей главе описываются теоретические расчеты и результаты сспериментального исследования эффекта, смеси газов для DECRIS-14-2. Эф-ект смеси газов обеспечивает существенное увеличение то/а выс.окозарядн-х ионов в случае, если подмешан второй более легкий газ. Смешивание газов лло широко использовано во многих ЭЦР источниках. Но механизм этого [)фекта не был достаточно ясен. Чтобы понять физику процесса в данной шоте были проведены численные расчеты на основе модели баланса частиц.

ЭЦР-источник рассмотрен, как магнитная ловушка с горячими (несколько >В) и тепловыми (несколько десятков эВ) электронами, а также с холодными >нами (несколько эВ). Предполагалось, что ионное удержание зависит от 1нфигурации магнитного поля и глубины потенциала в плазме. Ионы удержи-

лотся электростатически пространственным зарядом, создаваемым электри-■хким полем горячих электронов, что соответствует удержанию малым отри-1тельным потенциалом. Другим предположением является то, что ионы всех [дов находятся в тепловом равновесии при одной температуре. Горячие элект->ны создаются в результате ЭЦР нагрева и удерживаются " В минимум " нфигурацией магнитного поля источника. Предполагается, что время жизни рячих электронов в основном определяется большим углом рассеяния с друг-ш частицами плазмы. Концентрации горячихи тепловых электронов распре-лены в плазме единообразно. Тепловые электроны возникают главным обрам в результате ионизации и эмиссии со стенок разрядной камеры. Считае-я, что тепловые электроны что те, которые не подвергаются ЭЦР-нагреву. >е- дполагается, что именно они главным образом должны удерживаться ложительным потенциалом плазмы. Эффективное время жизни тепловых жтронов может быть рассчитано через 90° Шпитцеровское столкновение и тенциал плазмы.

Считается, что в плазме ЭЦР-источника исчезновение нейтралей происхо-г в результате ионизации электронным ударом, а также процесса перезаря-1 с ионами. В данной работе рассмотрены одноступенчатая ионизация и ю- ступенчатая перезарядка, а также потоки нейтралей внутрь плаомы и эужу. Для моделирования этого процесса используется система уравнений, :тоящая из семи подсистем, которые связаны квазинейтральностью плазмы,

< 3

с v ft s О

18 19

Charge State (Q)

Рис.5. Сравнение результатов, полученных на DECRIS-14-2 с данными лучших источников в мире.

100 г

+

со §

О ■8

о Z

10 12

Рис.6. Зарядовое раопределение в пучке ионов аргона при различных добавках кислорода. 1(8+) означает величину ионного тока Ага+ без вспомогательного газа. Все токи нормированы к 1(8+).

плотностью нейтралей в плазме, плотностью ионов с зарядом ' ( 2 < г < 'макопмялып.ш) и плотностью однозарядных ионов. Для решения системы уравнений используется компьютер VAX. Входными параметрами программы являются : концентрации нейтральных частиц основного и вспомогательного газов вне плазмы, концентрация и температура горячих электронов, температура тепловых электронов, температура ионов, величина пробочного соотношения, размеры раз- ряда, ионизационные потенциалы и коэффициенты скорости ионизации для основного и поддерживающего газов.

В диссертации представлены результаты расчетов для плазмы аргона с добавкой кислорода. На рис. б показано зарядовое распределение при различных концентрациях смеси. Из рисунка видно, что кислород, как вспомогательный газ, дает сдвиг зарядового распределения в сторону высокозарядных состояний. Однако, если процент вспомогательного газа превышает 98% , то его лрпсутсвис полезно лишь для очень высоких зарядовых состояний. Расчеты указывают, что средний заряд, потенциал плазмы и коэффициент рассеяния электронов уменьшаются с увеличением процента вспомогательного газа, при тостоянном общем количестве нейтралей ( рис. 7,8,9 ) в то время, как провисите потенциала увеличивается в этом случае ( рис. 10 ). На рис. 11 показано, ito только изменяя плотность нейтралей вспомогательного газа, можно обна->ужить рост плотности тепловых электронов при увеличении концентрации 1спомогательного газа. На рис. 12 показана экспериментальная зависимость 1ЛИЯНИЯ температуры ионов на зарядовое распределение. Расчеты показы-а.ют, что более низкая температура ионов действительно необходима для :олучення более высокозарядных состояний в плазме. На рис. 13 показаны езультаты фитирования при расчетах распределения зарядов в плазме аргона кислородом в сравнении с экспериментальными данными, полученными на сточнике ионов DECRIS-14-2.

С целью увеличения интенсивности пучков ионов из DECRIS-14-2 и экспери-ентального изучения эффекта смеси газов была выполнена серия экс.перимен-ов в различных конфигурациях источника ионов: с первой ступенью, с элект-одом при отрицательном потенциале (без первой ступени) и с первой ступен-ю и электродом при отрицательном потенциале. При использовании осно-дых газов (кислород, аргон, ксенон) использовались такие вспомогательные 1,зы, как гелий, кислород, неон.

Сравнение оптимизированных ионных токов, полученных при изучении [)фскта смеси газов для источника ионов с первой ступенью и электродом >и отрицательном потенциале представлены в таблице 4. Видно, что фактор

7.0

£.0

б 5.0

I &

< 4.0

3.0

-I-1-1—I-1-1-1-1—I—I—I-1-1-1-1—I-1-1—г-

ТОиЦЭ КтЩШ) 5.Ш И 5ет Т(Ше1) 50 су №КА1НЩОН.В10

БирроЛ яаз Оа Миа{иАг

20 40 60 «0 100 £ирроП Оаз Регсета§е (%)

Рис.7. Зависимость среднего зарядового состояния ионов от количества вспомогательного газа при условии постоянной суммарной концентрации.

260.0

5 240.0

я

I

5 220.0 №

к 200.0

180.0

Т(Ь«1) 3 Кет N0101) 5.Е11 Т» 5 еу Т(1Ье1) 50 еу КОСАгНЩО^ЛЮ ЗирроП 01 Ма1п|иАг

20 40 60 80 ЗирроП Саз Peгcentage (%)

100

Рис.8. Зависимость потенциала плазмы от количества вспомогательного гаоа при постоянной суммарной концентрации.

3000.0

2500.0

~1-1 I I I-1-!-1-1-r—

T(hol) 3 Kev Nfhel) 5.E11 Ti 5ev T(thcl) 50 ev

я

ее

•g 2000.0 о

С &

g J 500.0

Ш

1000.0

N(4AIHNO(0)-Iit0 Support gas 02 Mala gal Ar

20 40 60 80

Support Gas Percentage (%)

100

Рис.9. Зависимость коэффициента рассеяния электронов от количества вспомогательного газа при постоянной суммарной концентрации нейтралей.

1.2

1.0 ■

0.8

-I—I-Г—I-1—I—1—1—I-Г"

ТОмЦЗ Kev Nfhel) 5.Ш1 Ti 5ev T(thel) 50 ev N0<AiHN0(Cn*l£l0 Support gas 02 Main gai At

•3

■a 8 о д.

0 20 40 60 80 Support Gas Percentage (%)

Рис.10. Зависимость провисания потенциала в плазме от количества вспомогательного газа при постоянном количестве нейтралей газов.

I т

ЮН

О 10"

в о

•а g

V

3

а

ЮН»

J 1 Ш|||| '''1 1 1 11 II|| I'l 1 1 |1|М|ЧЧ ¡111111] ' I' I 1 Mill] 'I'l it

T(hel)3 Kev N(hel) 5Ü11 ;

TiJev T(tbel) 50 ev

: Main gas Ar N0=2.E8

Support gas O2

100% Ar N(thel) 2.1 El 0 ;

i i mill .i.i i 111 mi! 11.1 i i imil m.i i i mill ... t 1 1 Mill . 1,1 11

109 2 10'° 1

10« Ю? 10» Support Gas Density (cm-3)

Рис.11. Зависимость плотности тепловых электронов от величины

вспомогательного гаоа при постоянном количестве нейтралей

гаоов.

100

10-»

S. 1 Э 10^

I и*

и

2

ICH

£

2 2

1<И

• Ti 3 ет А Т19 ev 10% Ar 90% О

Т(1Ы) 50 ev Т(Ы) 5 kev N(be0 5311 NO 1^10

2 4 б 8 10 12 14 16 18 20

Q

Рис.12. Зарядовое распределение ионов в пучке при раоличнои температуре и0нов(ТЧ). 1(8+) и нормировка - см. подпись к рис.6.

< л

с и

N

ti 3

U с о

102

101 10" 10-1 10-2 10-3

* i i ■ i • i - , . , * *

. ' . *

■ ■

■ А ■

А * 1 00 % Ar (calculation) *

г 100% Аг (DECRIS-2) ' 1

: ■ 30% Al 70% 0 (calculation)

С 30% Аг 70% О (DECRIS-2)

Tfliel) 2.5 KeV T(i) 5 eV

N(hel) 5.5E11 N(0)1.El 0 4

О 2

8 10 12 14 16 18

Q

Рис.13. Сравнение расчетного н экспериментального (зарядового распределения ионов аргона иа DECRIS-14-2 при использовании в качестве вспомогательного гаоа кислорода.

с о

о. В я

1Л

а о U

и

10-2

г 11

Ю-'

o6+ Ar • 18+ Xe

argon •

oxygen xenon

first stage « pure gas о gas mixing

negative potential ■ pure gas ! 1 gas mixing

20

10 15

Charge State

Рис.И. Расход кислорода, аргона и ксенона при использовании вспомогательного гаоа.

4

6

увеличения интенсивности ионных токов при использовании смеси газов в случае электрода при отрицательном потенциале несколько ниже, чем в источнике ионов с первой ступенью. Эффект вспомогательного газа фактически отсутствует при оптимизации пучков ионов Аг>+ и Лг11+ для варианта источника ионов с электродом при отрицательном потенциале и первой ступенью. Это означает, что эффект смеси газов сдерживается в случае электрода при отрицательном потенциале по сравнению с первой ступенью. Этот факт подразумевает, что увеличение плотности электронов должно быть одной из доминирующих причин эффекта смеси газов.

Таблица 4. Сравнение типичных оптимизированных для данных зарядов токов ионов (мкА) и эффекта смеси газов в случае первой ступени и электрода при отрицательном потенциале.

П ~ __ --электрод при отрицательном- -потенциале------

бео вспомогательного газа с вспомогательным газом / без вспомогательного газа с вспомогательным гаоом /

60 90 1.5 116 135 1.16

11 16.5 1.5 17 25 1.47

лгН! 15 23 1.53 23 28.5 1.24

л е,33 14 23.5 1.68 22 31 1.4

14 22 1.57 20 28 1.4

*: В случае 16(96+ вспомогательным газом был гелий, в других случаях - кислород; {- фактор роста.

Эффект смеси газов не только увеличивает токи высокозарядных ионов, но также существенно уменьшает расход основного газа. Расходы основных газов при получении пучков ионов 0в+ , Агг1+ и Хе18+ в случае использования эффекта смеси гаоов показаны на рис. 14.

В главе четвертой представлены результаты исследований по оптимизации ионного источника ЭЦР типа на основе использования новой мульти-польной системы на постоянных магнитах. На рис.15 показана схема такого усовершенствованного источника ионов БЕСШБ-Ю на частоте СВЧ-накачки 10 ГГц, основные параметры которого представлены в таблице 5.

Этот источник имеет ряд общих с другими ЭЦР источниками элементов таких, как плазменная камера с двойными стенками для охлаждающей воды; медный коаксиальный ввод для СВЧ мощности, напуска рабочего газа или подачи твердого рабочего вещества в разряд с помощью тигля или электрода; конической формы шиммирующее кольцо для изменения величины максимума

аксиального поля и его положения в зоне первой ступени источника; две со-юнондальные катушки для создания аксиальной ловушки и ярмо из стали для обеспечения требуемой конфигурации магнитного поля.

Таблица 5. Параметры РЕСШЭ-Ю

Аксиальное магнитное поле Максимальная величина Номинальный ток соленоида Максимальный ток соленоида Длина ловушки второй ступени

Гексаполь Внешний диаметр Внутренний диаметр Длина гексаполя

Поле гексаполя на стенке камеры Плазменная камера Внутренний диаметр второй ступени Внутренний диаметр первой ступени Длина второй ступени Соленоид Число катушек Внутренний диаметр Внешний диаметр Число обмоток Число витков

Максимальная электрическая мощность Расход охлаждающей воды Давление воды

Длина проводника для 2-х катушек

I,2 Т

900 А 950 А

15,5 сш без железного пуллера 18,0 ст с железным пуллером

12,0 ст 7,0 сш 16,0 ст 0,8 Т

6,5 сш 2,5 ст 16,0 ст

2

13,0 ст 34,0 ст 4 двойных 11

40 к\У

II,0 л/мин 4 атм 130м

Но что особенно важно, этот источник имеет принципиально новую муль-гипольную магнитную систему с непрерывным изменением оси легкого нама-'ничивания. Такая магнитная система позволяет получить более сильное ма-■нитное поле при меньших размерах мультипольного магнита. В то же время жсиальная магнитная система имеет более низкое потребление электроэнер-■ии. На рис.16 представлено радиальное магнитное поле для гексаполя с непре->ывным изменением оси легкого намагничивания в сравнении с классической

Рис.15. Схема нового ЭЦР-источника БЕСШБ-Ю.

1.0 ............... ■ " ■ .......... 1.0

0.9 • СосЦпои! опсои&т 0.9

0.8 о ш 36 рюсм №Г 24 р1осе| 0 0.8

0.7 □ 12р!есс< Ж ^ 0.7

0.6 г1=3-5 г2=3.0 ст V 0.6

0.5 Вг=1 .05 Т $/ 0.5

0.4 0.4

0.3 0.3

0.2 0.2

0.1 0.1

0.0 0.0

0.0 0.5 1.0 и 2.0 2.5 3.0 3.5 г(ст)

Рис.16. Радиальное магнитное поле для гексаполя с непрерывным изменением оси легкого намагничивания в сравнении с классической конфигурацией, состоящей ио 12,24 и 36 частей.

О

13000 12000 11000 10000 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 20001000 0

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 z(cm)

'ис.17. Распределение аксиального магнитного поля в DECRIS-10.

DECRIS-1 0 with iron puller

'исЛв. Положения магнитных эквипотенциальных поверхностей

ю второй ступени DECRIS-10.

конструкцией, состоящей из 12,24 и 36 частей. Другим исключительно важным преимуществом новой конструкции является то, что величина полного радиального магнитного поля на том же радиусе остается постоянной при различных азимутальных углах, что очень важно для радиального удержания плазмы.

Усовершенствованная версия мультипольной системы на постоянных магнитах в случае большего числа полюсов (более чем 12) может увеличить, как показывают расчеты, эффективный ионизационный объем ЭЦР разряда.

Особое внимание в работе было уделено оптимизации конфигурации аксиального магнитного поля. Задача состоит в выборе компромисса между требуемой конфигурацией магнитного поля, размерами источника и величиной потребляемой электрической мощности. Очень важно оптимизировать конфигурацию катушек (число слоев и витков) и относительное расположение катушек, чтобы минимизировать объем магнитного поля. На рис.17 показаны два варианта разработанных конфигураций магнитного поля (с железным пуллером и пуллером из нержавеющей стали). Обе конфигурации имеют высокий уровень магнитного поля (1,2Т) вблизи первой ступени и достаточно сильный градиент в области между первой и второй ступенями. На рис. 18 показаны положения эквипотенциальных магнитных поверхностей внури разрядной камеры и можно видеть, что вторая ЭЦР поверхность также полностью замкнута внутри разрядной камеры.

В заключении сформулированы основные результаты разработок и исследований :

1. На основании анализа конструкций современных ЭЦР-источников разработан и создан ионный источник БЕСШЗ-14-2 для системы аксиальной инжекции на циклотроне У-400М. Согласно современным тенденциям в развитии техники получения многозарядных ионов в источнике использована конструкция магнитной системы с концентрацией магнитного потока в рабочей области, что позволяет получать величину магнитного поля в аксиальном направлении до 1,2 Т и величину радиальной составляющей магнитного поля на поверхности ионизационной камеры более 1,0 Т. По сравнению с существующими ЭЦР-источниками источник ВЕСМ5-14-2 отличается относительно низким энергопотреблением (55 кВт) и использованием низкого давления охлаждающей жидкости.

2. Проведены эксперименты по получению пучков многозарядных ионов из источника БЕСШЗ-14-2 с различными конфигурациями первой ступени

источника. Впервые показано, что использование погруженного в плазму электрода под отрицательным потенциалом совместно с подачей вспомогательного газа позволяет увеличить токи многозарядных ионов в ере днем в 2,3 раза по сравнению с использованием традиционной конструкции первой ступени. В результате оптимизации режимов работы источника были получены токи ионов 1е06+ - 135 мкА, 40Аг11+ - 25 мкА, и2Л"с18+ - 31 мкА и другие. Следует отметить стабильную и надежную работу источника во время эксперимента. Полученные интенсивности тяжелых многозарядных ионов, таких как Хе с зарядами от 14+ до 20+, находятся на уровне, характерном для лучших современных ЭЦР-источпиков, в научных центрах Франции, США и др.

3. Проведено численное изучение эффекта смеси газов для ЭЦР-источников на основе созданной для этой цели компьютерной программы. Изучено влияние газовых смесей различных концентраций на основные параметры, характеризующие получение и потери многозарядных ионов в плазме, такие как: время жизни ионов, потенциал плазмы, величина потенциального барьера для ионов, температура ионов и т.д.. Получены распределения ионов по зарядам для Аг и Хе в смеси с кислородом. Показано, что применение добавочных газов увеличивает выход ионов с зарядами, выше среднего. На основании анализа результатов дано объяснение этого эффекта.

4. Впервые проведено экспериментальное изучение эффекта' смеси газов на источнике с одной и двумя ступенями и при подаче отрицательного потенциала на плазму. Показано, что использование гелия и кислорода в качестве добавочных газов позволяет увеличить токи многозарядных ионов, таких как 1!2Л'е18+ в 1,5 - 1,7 раза в случае работы с первой и второй ступенями ив 1,2 - 1,4 раза при подаче потенциала на плазму только второй ступени. Эффект практически отсутствует при получении ионов более низких зарядностей, например, таких как 40Лг8+ и 40Аг9+, что согласуется с результатами расчетов.

Впервые показано, что подача отрицательного потенциала на плазму ограничивает эффект от применения смесей газов, что не может быть объяснено в рамках известной теории "ионного охлаждения". Установлено, что использование добавочных газов позволяет уменьшить потребление основного газа более чем на 60 %, что является исключительно важным при работе на дорогостоящих изотопах и при получении

вторичных радиоактивных пучков.

5. На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований предложена интерпретация полученных результатов, а также пути улучшения выходных параметров данного ионного источника как с точки зрения увеличения интенсивности извлекаемого пучка многозарядных ионов газовых элементов, так и получения ионов твердых веществ.

Разработана конструкция компактного ЭЦР-источника на частоту 10 ГГц с пониженным потреблением электрической мощности (менее 40 кВт) при сохранении амплитуды аксиальной составляющей магнитного поля на уровне 1,2 Т. Показано, что применение новой конструкции системы формирования радиальной составляющей магнитного поля (гек-саполя), позволяет наиболее эффективно использовать материал постоянных магнитов, приводит к уменьшению внешних размеров гексаполя и, как результат, к значительному упрощению конструкции источника и снижению потребляемой на создание магнитного поля мощности.

Данная конструкция может быть использована в качестве базовой при разработке ионного источника для получения вторичных радиоактивных пучков.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

(1). H.W.Zhao, A.Efremov, V.Kutner, " Numerical Study on the Gas Mixing Effect in ECR Ion Sources " , Abstracts for the 7th International Conference on the Physics of Highly Charged Ions, September 19-23, 1994, Vienna, Edited by

F.Aumayr and HP.Winter, Technische Universität Wien, Austria, P. Mo59. The paper will be Published in N.I.M В (accepted) .

(2). Zhao Hongwei, Zhiqing Shen, Baowen Wei. "Emittance Measurements in the HIRFL Beam Line", Proceedings of the 13th International Conference on Cyclotrons and their Applications,Vancouver, Canada, July G-10,1992. Edited by

G.Dutto and M.K.Craddock , World Scientific. P479, 1993.

(3). A.Efremov, V.Kutner, H.W.Zhao, A.Lebedev, V.Loginov, N.Yazvitskiy, " DECRIS-14-2, Design Aspects and Preliminary Results ", JINR Preprint, E9-95-111, 1995.

(4). A. A.Efremov, V.B.Kutner, Zhao Hongwei." Design of a New ECRIS with a Hexapole of Continuous Easy Axis Orientations ", JINR Preprint, Е9-93-441Д993.

(5). V.B.Kutner. A.A.Efremov, Zhao Hongwei. " Radioactive Ion Beam Pro-hiction by ECR Ion Sources", Abstracts of the first International Symposium on ieam Technologies (BT'95), March, 1995, Dubna, Russia. p'24. The paper will be published in the proceedings of the symposium. JINR preprint E9-95-113, 1995.

(G). Hongwei Zhao. A.Efremov, V.Kutner. " Calculation of the Gas Mixing jffect in ECRIS " . JINR preprint, E9-94-39S, 1994.

(7). A.Efremov. V.Kutner, H.W.Zhao. A.Lebedev. V.Loginov, N.Yazvitskiy, .Pivarc. " Experimental Studies on the Gas Mixing Effect on DECRIS-14-2 ". INR preprint, E9-95-112, 1995.

(S). Wei Baowen, Liu Zhanwen, Zhang Wen. Wu Dezhong. Zhao Hongwei. 'nan Ping, Zhang Xuezhen, Ma Yingjie, A.Efremov. " Study on The Magnetic 'ield of CAPRICE Type ECR Source", Proceedings of the 13th International Con-n'ence on Cyclotrons and their Applications,Vancouver, Canada, July 6-10,1992. edited by G.Dutto and M.K.Craddock , World Scientific. P344, 1993

(9). Zhao Hongwei, Shen Zhiqing, Wei Baowen. "The Best Beam Configura-ion for Making Optimum Emittance Measurements with Three-Position Method", 991 IMP Annual Report, (in English), Chinese Atomic Energy Press, P.8, 1992.

(10). Zhao Hongwei, Shen Zhiqin, Wei Baowen. " Emittance Measurements i HIRFL Beam Line with Three-Gradient, Method", 1991 IMP Annual Report. Chinese Atomic Energy Press, P.G, 1992.

Рукопись поступила в издательский отдел 21 апреля 1995 года.