Генерация и формирование пучков тяжелых ионов металлов для ускорителей с ПОКФ

На современном этапе развития ядерной энергетики проявляется большой интерес к возможности использования интенсивных пучков тяжелых ионов для возбуждения процессов управляемого термоядерного синтеза с инерционным удержанием плазмы [ 1]. Идеи построения установок, базирующихся на драйверах (ускорительных комплексах) с гигантской импульсной мощностью, были выдвинуты в середине семидесятых годов прошлого столетия и с тех пор данному вопросу уделяется самое пристальное внимание. Регулярно проходят специализированные международные конференции, последняя из которых состоялась в 2002 году в Москве в ИТЭФ, что явилось признанием огромного вклада в развитие данного направления исследований в этом научном центре. Работы по развитию инерционного тяжелоионного синтеза (ИТИС) ведутся в ведущих ускорительных центрах мира, таких как GSI (Германия), LBNL и ANL (США). В ИТЭФ успешно ведется программа по созданию Тера Ваттного Накопителя (ТВН) для проведения исследований по взаимодействию ионного пучка с плазменной мишенью [ 2].

Основные трудности при построения драйвера для ИТИС в первую очередь связаны с необходимостью создания сильноточных ионных источников, а также с ограниченной пропускной способностью ускоряющих секций на начальном этапе, когда скорость ионного пучка невелика. Во многом, трудности, связанные с низкой пропускной способностью ускоряющих секций на начальном этапе, удалось решить с открытием принципа пространственно-однородной квадрупольной фокусировки (ПОКФ) [3].

Для проведения экспериментальных работ по изучению вопросов, связанных с ускорением сильноточных пучков тяжелых ионов на начальном этапе, в ИТЭФ был разработан, сконструирован и запущен тяжелоионный прототип начальной части драйвера для ИТИС — линейный ускоритель с ПОКФ ТИПр-1, работающий на частоте 6,19 [ 4]. Данная установка была рассчитана на ускорение ионов с удельной массой 60 — 65а.е.м. с начальной энергии 0,945 кэВ/нуклон до энергии 36.6 кэВ/нуклон. Успешный запуск L ускорителя был произведен в 1986 году на ионах Хе, генерируемых ионным источником типа дуоплазматрон, после чего встал вопрос создания источника, способного генерировать сильноточные пучки тяжелых ионов вплоть до урана. При этом необходимо было не только разработать конструкцию такого источника, но и провести исследование его параметров на предмет использования на инжекторе ускорителя ТИПр-1.

Диссертация посвящена созданию источника тяжелых ионов металлов для линейного ускорителя (ЛУ) с пространственно-однородной фокусирующей структурой ТИПр-1 (Тяжелоионный прототип), исследованию одновременного ускорения в данном ЛУ ионов с различным удельным зарядом, разработке методов повышения зарядового состояния ионов пучка, генерируемого вакуумно-дуговым источником ионов металлов и имела следующие главные цели:

1. Создание вакуумно-дугового источника ионов металлов (ВДИИМ), обеспечивающего генерацию ионов металлов с удельной массой близкой к 60 а.е.м. и изучение зарядового распределения ионов в генерируемой плазме. Формирование пучка ионов с длительностью импульса от 1 микросекунды до 1 миллисекунды и током в импульсе не менее 10 мА при нормализованном эмиттансе не хуже 2 мм-мрад для инжекции в ЛУ с ПОКФ ТИПр-1.

2. Ускорение данного пучка в ускорителе с пространственно-однородной квадрупольной фокусирующей структурой ТИПр-1 и изучение вопросов динамики пучка, связанных с одновременным ускорением частиц с различным удельным зарядом.

3. Разработка методов увеличения зарядового состояния генерируемого ВДИИМ ионного пучка без потери его интенсивности.

Для того чтобы обосновать выбор вакуумно-дугового источника ионов металлов для ускорителя ТИПр-1 рассмотрим подробнее требования предъявляемые к ионному источнику для ускорителя-драйвера установки на основе ИТИС и проведем сравнительный анализ известных на сегодняшний день источников тяжелых ионов.

Инерционный тяжелоионный термоядерный синтез.

Идеи построения энергетических установок на основе ИТИС были выдвинуты в середине семидесятых годов прошлого столетия и с тех пор данному вопросу уделяется самое пристальное внимание. Данное направление управляемого термоядерного синтеза имеет ряд преимуществ, базирующихся на особенностях взаимодействия тяжелоионного пучка с веществом оболочки мишени. Во-первых это высокая тормозная способность тяжелых ионов в веществе, т. е. высокое удельное энерговыделение на единице длины пробега. Во-вторых, большая энергия отдельного иона, что позволяет использовать в ИТИС пучки с относительно малыми токами. В-третьих, высокий КПД драйвера (ускорительного комплекса) ИТИС, который дает возможность снизить требования к коэффициенту усиления энергии до 20 — 100 [ 1]. Кроме того, надо отметить классический механизм поглощения энергии быстрых ионов в веществе, не сопровождающийся генерацией быстрых электронов в плазме, высокую частоту посыла ускоренных ионных пучков на мишень (-10 Гц) и огромный опыт успешной эксплуатации крупномасштабных ускорительных комплексов. Для осуществления ИТИС необходимо построение ускорительно-накопительного комплекса (драйвера), обеспечивающего выделение ~10 МДж энергии за время ~10 не на термоядерной мишени. При этом тяжелые ионы с атомной массой, А > 200 а.е.м надо ускорить до энергии >20 ГэВ и накопить в количестве ~ 3*1015 частиц [ 1].

По мере развития работ по ИТИС возникают вопросы, связанные с физикой взаимодействия тяжелых ионов с веществом, плазмой и отдельными ядрами [ 5]. Исследование данных вопросов требует создание макета ускорительного комплекса для получения тяжелых ионов в широком диапазоне масс и энергий и проведение соответствующих физических исследований. Кроме того, программа исследований по ИТИС включает изучение динамики пучка на различных этапах ускорения, накопления и транспортировки в камеру реактора, компрессии пучка и др. Решение комплекса этих проблем обусловило необходимость создания макетной установки.

К середине восьмидесятых годов были разработаны проекты установок для ИТИС «от источника до реактора». Так в США развивается направление, базирующиеся на многоканальных линейных индукционных ускорителях (ЛИУ), где одновременно с ускорением происходит сжатие пучка до требуемой для вывода на мишень длительности [ 6]. В Европе и Японии предпочтение было отдано направлению, базирующемуся на развиваемой и уже осваиваемой технологии на основе линейных резонансных ускорителей (ЛРУ) с дальнейшим накоплением пучка в накопительном кольце. Такое рассмотрение проводится в России, странах Европы (GSI, ГерманияRAL, Англия) и Японии (ШВЫС, INS) [ 7], [ 8], [ 9].

В варианте, развиваемом в США, продольная компрессия пучка, осуществляемая в ЛИУ при ускорении, позволяет рассчитывать на получение с каждого канала выходного тока в несколько килоампер при энергии 10 ГэВ. Схема с ЛИУ является однопроходной схемой, где один длинный пучок с большим током одновременно и ускоряется и сжимается. Кпд ионного ЛИУ может достигать 15 — 20%, но темп ускорения не превысит 1 МэВ/м, так что размеры драйвера не будут меньше, чем в случае резонансного ЛРУ. По сравнению с концепцией драйвера на базе ЛРУ, данная схема является идеологически более простой. Однако, несмотря на то, что в масштабах, требуемых для драйвера ИТИС есть опыт построения машин для ускорения релятивистских электронов, движущихся с постоянной скоростью на всей длительности ускорителя, для ускорения ионов индукционный ускоритель является новым словом и пока что жизнеспособность данного подхода была продемонстрирована только лишь на моделях малых размеров.

Ускорительный комплекс — драйвер на основе ЛРУ состоит из трех ключевых элементов: самого линейного резонансного ускорителя, нескольких накопительных колец и устройства для заключительной компрессии пучка и проводки его на мишень. Как уже отмечалось выше, преимущество такого подхода состоит в том, что он базируется на уже существующей технологии. Так еще в семидесятых годах в ЦЕРН на ускорителе ISR был получен пучок протонов с энергией 50 ГэВ и током 30 — 40 А. По этой причине, многие научные центры, изучающие проблему ИТИС, в качестве драйвера рассматривают драйвер на базе ЛРУ.

Трудность ускорения сильноточных пучков тяжелых ионов в первую очередь определяется малой интенсивностью ионных источников, причем эта проблема стоит для обоих принципиальных концепций ускорителя-драйвера для ИТИС, а также ограниченной пропускной способностью ускоряющих секций на начальном этапе, когда скорость ионного пучка невелика. Во многом, трудности, связанные с низкой пропускной способностью ускоряющих секций на начальном этапе, удалось решить с открытием принципа пространственно-однородной квадрупольной фокусировки (ПОКФ) [ 3], и предложением многоканальной структуры начальной части со снижающимся по мере увеличения энергии частиц числом каналов. Эта структура напоминает ветви дерева, постепенно сходящиеся в единый ствол, причем каждое слияние (funneling) сопровождается повышением в 2 или большее число раз рабочей частоты, что позволяет заполнить свободные сепаратрисы. Предложенная в ИТЭФ блок схема начальной части драйвера для ИТИС представлена на Рис. 1. При таком последовательном сложение сгустков в продольном фазовом пространстве средний ток пучка возрастает без увеличения эмиттанса и пикового тока пучка.

Один из современных вариантов схемы ускорителя-драйвера для энергетической установки ИТИС имеет следующий вид (Рис. 2 [ 10]) — однозарядные ионы трех элементов с различием атомных масс в пределах 10% ускоряются в одном и том же линейном ускорителе до одинакового импульса, накапливаются и группируются в серию отдельных сгустков в сети накопительных колец (по 4 на каждое из атомных веществ). После экстракции сгустки (банчи) синхронизируются в линиях задержки (на каждое кольцо по одному комплекту таких линий), после чего направляются в индукционный группирователь для окончательного сжатия. На этой стадии каждый банч.

ПОКФ I ПОКФ II X = 48 м X = 24 м Видерое.

10 МэВ 50 МэВ 600 МэВ 2.5 ГэВ 20ГэВ.

32 мА 64 мА 128 мА 256 мА 512 мА.

Рис. 1 Предложенная в ИТЭФ блок схема драйвера для ИТИС направляется на свою отдельную траекторию и предполагается, что 36 параллельных пучков идут через общее ярмо индукционного группирователя. В последнем канале транспортировки к мишени банчи всех трех веществ сливаются воедино. Банчи различных веществ с одинаковыми импульсами могут быть выстроены в продольном фазовом пространстве в конечном канале транспортировки пучка (телескопирование пучка), что сокращает число каналов и конечной оптики на количество различных веществ. Так на мишень будет идти 48 линий, что на 3 меньше, чем при использовании ионов одного вещества. В качестве развития данных технологий, с целью сокращения каналов от накопительных колец до мишени предлагается использовать интенсивный лазерный луч для обдирки ионов. Эффективность линейного ускорителя оценивается в 30%, всего драйвера в 20% при частоте повторений 50 Гц. При частоте 10 — 20 Гц эффективность падает до 15%.

Результатом исследований по ИТИС за последние четверть века стало провозглашение программ по подготовке и проведению экспериментов на.

Рис. 2 Блок-схема драйвера ИТИС по проекту HIDIF.

Таблица 1 Основные требования к параметрам ионного пучка в ускорительных комплексах-драйверах ИТИС в различных программах.

ЛИУ HIDIF.

Макет Энергоустановка.

Энергия в импульсе, МДж 6,3 3 4,5.

Энергия частиц, ГэВ 4 10 10.

Тип частиц Hg+(A=200) ВГ (А=209) Bi+ (А=209).

Пиковая мощность в импульсе, ТВатт 524 750 1100.

Длина импульса, не. 8 6(20) 6(20).

Частота повторений на реакторе, Гц 10 10.

Число пучковых каналов на выходе драйвера 48 48 72.

Чистый заряд пучка, мкКулон 1700 480 690.

Конечный эмиттанс (ненорм.) <2×10° м-р 3×10'5 м-р 3×10″ э м-р полномасштабном макете энергетической установки. В Европе большие надежды связаны с развитием ускорительного комплекса в GSI, в который войдут два новых синхротрона SIS 100/200, накопительное кольцо ESR и сеть экспериментальных стендов. Ввод данного комплекса позволит повысить температуры плазменной мишени с 10 эВ до 50 эВ [ 11]. В США сформулирована программа Inertial Fusion Energy (IFE), направленная на создание демонстрационной энергетической установки. В таблице 1 представлены основные параметры данных макетных установок, а также параметры энергоустановки, которые необходимо достигнуть [12].

В России в ИТЭФ успешно ведется программа по созданию Тера Ваттного Накопителя (ТВН) для проведения исследований по взаимодействию ионного пучка с плазменной мишенью [ 2].

Как говорилось выше, для проведения экспериментальных работ по изучению вопросов, связанных с ускорением сильноточных пучков тяжелых ионов на начальном этапе, в ИТЭФ был разработан, сконструирован и запущен тяжелоионный прототип начальной стадии драйвера для ИТИС — линейный ускоритель с ПОКФ ТИПр-1 [ 13], [ 4], [ 14].

На момент запуска ускорителя ТИПр-1 и начала разработки источника пучка ионов металлов для данного ускорителя, для генерации ионных пучков большой интенсивности использовались хорошо зарекомендовавшие себя при работе с газообразным рабочим веществом такие ионные источники, как дуоплазматрон, дуопигатрон и источник с периферийным магнитным полем (мультикасп). На них в различных лабораториях были получены пучки ионов с токами в десятки мА. Основной проблемой данных источников является тот факт, что все элементы, представляющие интерес для ИТИС (А > 200 а.е.м., такие как свинец, висмут и уран), в нормальных условиях находятся в твердом состоянии. Таким образом для данных источников необходимо иметь систему перевода рабочего вещества в газообразное состояние, что заметно усложняет конструкцию источника, повышает его энергоемкость, не говоря о трудностях с поддержанием постоянного рабочего давления в разрядной камере.

Развитие физики и техники ионных источников привело к тому, что на сегодняшний день в ускорительных лабораториях, работающих с пучками тяжелых ионов, наибольшее распространение получили следующие типы ионных источников — электронно-лучевой источник (EBIS), источник на основе электронно-циклотронного резонанса (ЭЦР), лазерный источник и источник на основе вакуумно-дугового разряда в парах металла (MEWA) (Таблица 2) [ 15], [ 16]. Рассмотрим подробнее данные источники.

Таблица 2 Источники тяжелых ионов, по данным представленным на ISIC1997, ISIC1999 и ISIC2001.

Лаборатория/ Страна Источник Ион Ток, A Режим Способ образования металлической плазмы.

GSI/Германия Пеннинг Аий+ РЬ9+ вГ и10+ 4KM0″ 6 15CM0″ 6 200*10″ 6 400* 10″ 6 З00мкс/0,ЗГЦ Распыление рабочим газом (Аг).

GSI/Германия ЭЦР Au27+ Pb27+ Pb27+ и29+ 15-КГ6 5-КГ6 70* 10″ 6 3*10−6 Непрерывный Непрерывный Afterglow Непрерывный Разряд в испаряемом веществе.

GSI/Германия MEVVA Cu3+ Au3+ lf+ 25*10″ 3 35*10″ 3 30*10″ 3 1мс/1Гц Вакуумно-дуговой разряд.

ОИЯИ/Дубна ЭЦР Billi+ Bi, 9+ Bi20+ 94* 10″ 6 86* 10″ 6 66* 10″ 6 Непрерывный Разряд в испаряемом веществе.

CERN/Швейцария Лазерный Pb27+ 10*10″ 3 5,5мкс/(1/30)Гц С02 лазер, 1014Вт/см2.

CERN/Швейцария ЭЦР Pb24+ бб^Ю" 6 Непрерывный Разряд в испаряемом веществе.

LBNL/США MEVVA Au3+ f+ 35*10″ 3 35*10″ 3 1мс/1Гц.

LBNL/США ЭЦР Au30+ Bi25+ u31+ Зб^вЮ" 6 70*10″ 6 24,5*10″ 6 Непрерывный Разряд в испаряемом веществе.

BNL/CUIA EBIS Au32+ 3,4*109 част./имп. 4мс/10Гц.

Электронно-лучевой ионный источник (EBIS).

В источнике типа EBIS достижение требуемого зарядового состояния достигается за счет ступенчатой ионизации при взаимодействии ионов с ускоренным пучком электронов. Первый источник был создан в 1967 году и сразу же продемонстрировал свой большой потенциал по генерированию пучков ионов высокой зарядности [ 17]. На нем были получены пучки полностью ободранных ядер азота N7+, а также Аг18+. Данный источник уже содержал в себе основные элементы — иммерсионную электронную пушку с пирсовскими электродами в магнитном поле 0,2 Тл от «теплого» соленоида длинной 17 см. Электронный пучок с энергией 2 кэВ и током 40 мА с плотностью тока 10 А/см .

Дальнейшее развитие данного источника шло по пути внедрения в его конструкцию новейших технологий конца прошлого столетиясверхпроводимости и криогенной техники. Сверхпроводимость позволила создать соленоид с магнитным полем на оси 5−6 Тл, а криогеника позволяет заметно улучшить вакуумные условия в области генерации ионов. Обычное о рабочее давление в источнике — 10* Па. На одном из источников данного типа впервые были получены полностью ободранные атомы урана U. В последнее время получили развитие так называемые отражательные источники EBIS. В данных источниках за счет специальной конструкции электродов электронной пушки и отражательного электрода добиваются накопления электронов в сильном магнитном поле. Как результат, после 200 -250 мс удержания получено 5×109 Аг16+ (500 мкА, за 8мкс) [ 18], [ 19], [ 20], [ 21], [22], [23], [24], [25].

Однако представляется маловероятным использование данного источника в качестве инжектора для установки ИТИС ввиду малости тока генерируемого ионного пучка. Основываясь на базисной концепции EBIS, можно определить теоретический предел выхода высокозарядных ионов. На каждый импульс ионного источника можно извлечь число ионов с общим зарядом Q+, при условии 100% компенсации в ловушке, равное числу быстрых электронов, находящихся в данный момент в ловушке.

Q+ = 3,36×10111L Е'½, где Q+ - ионная емкость ловушки (в элементарных электронных зарядах), I — ток электронного пучка (в A), L — длина ловушки (в м), Е — энергия электронов (в кэВ). Для параметров источника — электронный пучок 10 кэВ и 1 А, длина 1мтеоретическое число ионов должно быть 10 Л, где i — средний заряд ионов. Работающие источники обычно достигают порядка 10% от теоретической величины.

Ионный источник на электронно-циклотронном резонансе (ЭЦР).

В источниках типа ЭЦР ионизирующие электроны — это электроны самой плазмы, ускоренные в электромагнитной волне [ 26]. Первый источник ионов на основе электронно-циклотронного резонанса был создан Geller еще в 1972 году, но тогда удалось получить только малозарядные ионы. Кардинальный шаг был сделан в 1974 г созданием источника SUPERMAFIOS (SUPERMAshine For Ion Stripping [ 27], в котором помимо аксиального магнитного поля, было добавлено гексапольное магнитного поля в области разряда. Кроме того впервые это был двухкамерный источник. Источники типа ЭЦР могут работать как в непрерывном, так и в импульсном режиме (так называемый режим afterglow). В последнем случае можно получить в 5- 10 раз больший выход для высоких зарядовых состояний ионов. ЭЦР источник хорошо зарекомендовал себя при работе с газообразными веществами. Для генерации металлических ионов, как это требуется для задач ИТИС, необходимо использовать ту или иную технологию перевода вещества в газообразное состояние. Большинство докладов по ЭЦР источникам на последних трех конференциях по ионным источникам, как раз было посвящено поискам надежного способа генерации на данных источниках пучков ионов твердотельных веществ. Наиболее прямой путь — либо введение образца в область разряда, либо использование микропечи. Однако в первом случае требуются специальные усилия по контролю положения образца вблизи ЭЦР поверхности. Использование печи дает приемлемый результат если для испарения требуется температура не более 2000° С. При более высоких температурах требуется разработка других технологий. Очень перспективным выглядит использование индуктивной печки для испарения требуемого металлического вещества [ 28].

ЭЦР источники на сегодняшний день широко используются во многих лабораториях мира. Это обусловлено высокой стабильностью параметров генерируемого пучка, возможностью работы в непрерывном режиме, практически неограниченный ресурс работы источника и сравнительно высокий заряд ионов пучка. Однако интенсивность пучков остается слишком низкой, а стоимость источника слишком высокой, для его использования в установке для ИТИС.

Лазерный ионный источник.

В лазерном ионном источнике генерирование ионов достигается за счет воздействия лазера большой мощности на твердые тела. Возможность использования генерируемой лазером плазмы как источника тяжелых ионов с большим зарядом известна давно. Так библиографический обзор эффектов воздействия лазеров большой мощности на твердые тела, опубликованный Де Микелисом в 1970 г [ 29], содержал 212 ссылок. Сегодня продолжается разработка мощных лазерных ионных источников для термоядерного синтеза и ускорительных комплексов [ 30],[ 31].

Многие свойства создаваемой лазером плазмы потенциально полезны для использования в ионных источниках. Это — высокий вакуум, значительное количество ионов в импульсе, высокая степень ионизации, возможность создания ионов любого твердого вещества, простота изготовления, т.к. под высоким потенциалом должен находится только облучаемый образец. Продолжающиеся усовершенствования лазерной техники постоянно снижают стоимость данного типа ионных источников.

Длительность лазерного импульса обычно составляет десятки — сотни наносекунд. Для формирования пучка ионов длительностью в десятки — сотни микросекунд, как это требуется для ИТИС, используют канал разлета плазмы распыленного вещества. Так для 80 мкс 20 мА пучка ионов свинца РЬ4+, для генерации которого используется СО2 лазер с длительностью 70 не и общей энергией 170 мДж, канал разлета плазмы имел длину 3 м [ 32]. Для формирования пучков большей длительности необходимо увеличивать длину канала разлета плазмы, что, при условии сохранения интенсивности извлекаемого ионного пучка, ведет к необходимости повышения мощности лазера, вплоть до отказа от промышленного образца и конструирования уникального и очень дорого прибора, что заметно осложняет использование данных источников для установок ИТИС.

Ионные источники смешанного типа.

В ряде лабораторий были предприняты попытки создать источники смешанного типа. Так в лаборатории Legnaro (INFN, Italy) миниатюрный вакуумно-дуговой источник ионов металлов (ВДИИМ) был установлен внутри ЭЦР источника [ 34]. Похожий эксперимент проводился на ЭЦР источнике в GSI [ 35]. Недавно сообщалось об успешном эксперименте по повышению зарядового состояния ионов пучка свинца при использовании ЭЦР+ВДИИМ источника, проведенном в Институте Прикладной Физики в Нижнем Новгороде совместно с Томским Институтом Сильноточной Электроники.

ВДИИМ также использовался для заполнения ионами ловушки в источниках типа EBIS. Перспективной выглядит идея, предложенная в ИТЭФ в группе под руководством В. А. Баталина, соавтором которой является соискатель, по повышению зарядности ионов в плазме вакуумно-дугового разряда высокоэнергетичными электронами, инжектированными в плазму разряда [ 36]. Основной идеей данного источника является преодоления теоретического предела на величину максимального заряда извлекаемого из источника пучка высокозарядных ионов, свойственного для EBIS. Экспериментальное подтверждение работоспособности данной идеи было показано в серии работ [37].

Также перспективным выглядит использование ЭЦР источника в качестве «бридера» для пучков однозарядных ионов для повышения их зарядового состояния. [38].

Вакуумно-дуговой источник ионов металлов.

Вакуумно-дуговой источник ионов металлов (ВДИИМ, или в международной транскрипции источник типа MEWA) является одним из самых перспективных источников для генерации ионных пучков для ИТИС. К достоинству данного типа источников следует отнести, во-первых, простоту конструкции и генерации ионов веществ с большой атомной массой. Достаточно, чтобы при нормальных условиях данные вещества были электропроводниками или входили в состав какого-нибудь электропроводящего соединения. Во-вторых — возможность работы с большой частотой посылок импульсов ионного тока (от единиц Герц вплоть до непрерывного пучка) наряду с большой длительностью импульса тока пучка. В-третьих — это большая интенсивность потока ионов, которая наряду с малым фазовым объемом пучка ионов позволяет использовать полученный ионный пучок в различных ускорительных системах.

Первые попытки использовать вакуумную дугу как источник ионного тока были предприняты в США в рамках Манхетенского проекта во время второй мировой войныпопытка, однако, не удалась из-за нестабильности дугового разряда [ 39].

Развитие источников на основе вакуумно-дугового разряда в бывшем СССР начались в 50−60 годах группой ученых под руководством А. А. Плютто в Сухумском Физико-Техническом Институте в Грузии [ 40]. Их ранние работы были демонстрацией базовой концепции извлечения ионов металлов из плазмы разряда. В 1968 году ионный источник с вакуумной дугой был продемонстрирован на Украине для генерации пучка ионов бериллия с током до 170 мА [ 41].

Параллельно велись работы по использованию ионных источников на базе вакуумно-дугового разряда в нейтронных генераторах [ 42], где со временем были достигнуты заметные успехи [ 43] [ 44].

В 1979 году Prewett и Holmes из Ливерпульского университета в Великобритании разработали вакуумно-дуговой источник ионов углерода, который генерировал низко энергетичный пучок ионов С4−1″ с током до 0,5 А. В США вакуумно-дуговой генератор ионов был изготовлен и использовался Adler и Picraux в Sandia Albuquerque для нужд ионной имплантации [ 45]. Конфигурация данного бессеточного ионного генератора для использования в имплантации является, наверное, наиболее близкой к конфигурации современных источников с вакуумной дугой. Примерно в то же самое время, Humphries с сотрудниками в университете Нью Мехико начали интенсивное исследование возможности применения источников с вакуумной дугой для использования в программе исследований термоядерного синтеза [ 46].

Большое внимание развитию вакуумно-дугового, широкоапертурного сильноточного источника металлических ионов большой длительности было уделено в Томском Институте Сильноточной Электроники при Академии наук в исследовательской группе под общим руководством академика Месяца.

Наиболее последовательная и успешная программа по исследованию вакуумно-дуговых источников ионов была начата в Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) в 1982 году для генерации сильноточного уранового пучка для инжекции в тяжело ионный синхротрон (Bevelac) для фундаментальных исследований в области ядерной физики и, позднее, для технологий имплантации [ 47]. На первом источнике были получены пучки ряда металлов с током до 1 А, энергией около 100 кэВ и длительностью 250 мкс при частоте повторений несколько десятков импульсов в секунду. Успехи данной программы дали огромный толчок к развитию данного источника ионов и применению его в различных областях, включая физику ускорителей, по всему миру.

Вакуумная дуга в парах металла является разрядом между двумя металлическими электродами в вакууме. Давление должно быть достаточно низким, чтобы газ не влиял на процессы в разрядедавление около 10″ 4 мм рт.ст. можно считать грубым верхним пределом, а обычным является давление порядка 10″ 6 мм рт.ст. Основной особенностью разряда данного типа является образование катодных пятен — очень маленьких областей на поверхности катода с большой плотностью тока — где материал катода испаряется и ионизуется. При микронных размерах пятна, плотность электронного тока в катодном пятне может быть более 10 А/см. Наблюдалось, что пятна могут передвигаться по поверхности катода. Ток, проходящий через катодное пятно, обычно составляет величину порядка нескольких ампер в зависимости от материала катода. Если через разряд пропустить больший ток, то образуется несколько катодных пятен. При токе в сотню ампер, что является характерной величиной для ВДИИМ, в дуговом разряде могут участвовать более десятка катодных пятен. Плазма, образованная в пятне, распространяется первоначально перпендикулярно катоду и далее по направлению к аноду, тем самым обеспечивая протекание тока дуги. При токах разряда, характерных для работы ВДИИМ, плазма полностью состоит из вещества катода. Размеры и плотность плазмы можно контролировать, но в очень малом диапазоне значений. При нормальной работе ВДИИМ плазменная струя проходит через отверстие в аноде по направлению к вытягивающему электроду, где осуществляется отбор ионов с плазменной границы и формирование ионного пучка [ 48].

Проведенный анализ привел к выводу, что ВДИИМ является самым перспективным источником для использования на ускорителе-драйвере энергетической установки на основе ИТИС. Тем не менее, несмотря на значительный прогресс в развитии ВДИИМ, остается неразрешенными еще ряд серьезных проблем. При высокой интенсивности производимого пучка, физика генерации ионов во ВДИИМ обуславливает их относительно низкую зарядность. С точки зрения применения в ускорительной технике, интерес представляет любая возможность увеличения зарядности генерируемых ионов при условии сохранения высокой интенсивности пучка. Для положительного решения вопроса о возможности использования источника с вакуумно-дуговым разрядом в программе ИТИС и для работ по изучению взаимодействия ускоренного в ЛУ ПОКФ ионного пучка с плазменной мишенью необходимо экспериментально исследовать параметры генерируемого данным источником пучка тяжелых ионов, важных с точки зрения использования его в ускорителе: величины токов каждой зарядности для генерируемых пучков различных веществ, фазовые характеристики потока ионов, стабильность параметров генерируемых пучков тяжелых ионов. При этом необходимо получить экспериментальную информацию о поведении катодного пятна. Его движение по поверхности катода является основной причиной нестабильности параметров генерируемого пучка.

Правильность выбора типа источника подтвердилась с течением времени. Несмотря на огромные успехи использования источников типа ЭЦР, ВДИИМ остается основным кандидатом как только возникает необходимость в сильноточном пучке тяжелых ионов. Так в программе ИТИС США источник данного типа остается основным кандидатом для ЛИУ [ 49], [ 50], [ 51]. В.

Германии, на ускорительном комплексе в GSI, наиболее мощной европейской экспериментальной установкой, где проводятся работы по исследованию ключевых вопросов как связанных с вопросом создания драйвера для ИТИС, так и по работам с плазменной мишенью, последние два года наибольший интерес уделяется ВДИИМ. С его помощью достигнуто ускорение пучка ионов с током 3,5 мА в новой IH-структуре, инжекторе для UNILAC в декабре 2001 г. Ток пучка на выходе вакуумно-дугового источника — 16 мА, максимальный ток на входе в ускоритель — 8 мА. Максимальный ток на выходе ускорителя — 3,5 мА и не зависит от величины тока пучка на входе. Лучший достигнутый коэффициент захвата при токе на входе 5мА — 70% [ 52].

Разработанный в ИТЭФ ВДИИМ позволил провести ряд экспериментальных работ, важных для создания энергетической установки ИТИС. Экспериментальное исследование одновременного ускорения в ЛУ ПОКФ ионов с различным удельным зарядом впервые в мире было проведено на ТИПр-1, о чем было доложено на XII Всесоюзном совещании по ускорителям заряженных частиц [ 53] и позднее на XVIII Международной конференции по линейным ускорителям [ 54]. Последующее теоретическое исследование одновременного ускорения ионов с различными удельными массами проведено А. И Балабиным [ 55].

Опыт, накопленный при работе с данным источником в качестве инжектора для ЛУ ПОКФ ТИПр-1, привел к созданию специально под параметры пучка, генерируемого данным источником новой ускоряющей структуры с ПОКФ для данного ЛУ, на которой были достигнуты расчетные параметры на пучке ионов меди второй зарядности — ток 11 мА при 90% захвате. Увеличение зарядового состояния ионного пучка, достигнутое в источниках е-MEVVA (ВДИИМ с внешним электронным пучком) и MEWA-M (ВДИИМ со ступенчатым разрядом в аксиальном магнитном поле с большим продольным градиентом) при сохранении свойственной ВДИИМ интенсивности, расширяют область применения данных источников. Так, помимо задач, связанных с проблемами ИТИС, последнее время появился значительный интерес к изучению взаимодействия ионных пучков с плазменной мишенью при относительно низких энергиях пучка. Интерес представляют следующие экспериментальные работы: непосредственное измерение потерь энергии ионов в тонких плазменных мишенях и экспериментальное сравнение потерь энергии ионов в плазме и холодном веществе, а также экспериментальное исследование зарядового распределения ускоренного пучка после взаимодействия с плазменной мишенью и т. д. Известные немногочисленные эксперименты показали, что энергетические потери тяжелоионного пучка низкой энергии (—100 кэВ/нуклон) в плазме возрастают по сравнению с потерями в холодном неионизированным веществе той же плотности более чем в 40 раз. Однако, имеющиеся на сегодняшний день, экспериментальные данные по данному вопросу явно недостаточны [ 56], [ 57], [ 58], [ 59]. Для данных экспериментов необходимо иметь пучки ускоренных ионов с различными значениями атомных масс и электрических зарядов, что ставит вопрос о возможности и эффективности ускорения в ЛУ ПОКФ частиц с различными удельными массами. Именно в экспериментах по данному направлению видится завтрашний день модернизированного ЛУ ПОКФ ТИПр-1 [ 60].

Структура и объем работы:

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

На основе исследований, проведенных в данной работе, получены следующие результаты:

1. Разработана оригинальная конструкция вакуумно-дугового источника ионов металлов для генерации и формирования пучка ионов с удельной массой около 60 а.е.м., длительностью до 1 мс, током не менее 10 мА при нормализованном эмиттансе не хуже 2 мм*мрад. Данный источник является на текущий момент штатным источником тяжелоионного ЛУ с ПОКФ ТИПр-1. Он также был штатным источником на ЛУ с фазопеременной фокусирующей структурой при проведении исследовательских работ по производству ядерных фильтров с помощью тяжелоионного пучка [ 92].

2. Предложена конструкция составного катода, позволяющего получать пучки, состоящие из ионов различных металлов с их временным разделением. С использованием данного катода проведена экспериментальная оценка скорости движения катодного пятна по поверхности молибденового катода, которая составила 20 м/с.

3. Получено ускорение до 36 кэВ/нуклон ионов, генерируемых разработанным ВДИИМ, в ЛУ ТИПр-1 с ПОКФ на частоте 6,19 МГц. В частности, получен ускоренный пучок ионов урана четвертой зарядности с током 7 мА.

4. Впервые в мире экспериментально изучена возможность ускорения в ЛУ с ПОКФ ионов с различной удельной массой.

5. На пучке ионов меди Си, генерируемых разработанным ВДИИМ, произведен физический запуск новой ускоряющей структуры с ПОКФ на частоте 27,7 МГц для ЛУ ТИПр-1 и получены расчетные параметры ускоренного до энергии 110 кэВ/нуклон пучка.

6. Предложен способ повышения зарядового состояния ионов, генерируемых вакуумно-дуговым разрядом, за счет ступенчатого разряда в аксиальном магнитом поле с большим продольным градиентом и на его основе разработана и исследована конструкция источника, позволившая повысить зарядовое состояние ионов пучка. Получен пучок ионов урана общим током i I.

50 мА с содержанием ионов U более 20%, что является на сегодняшний день лучшим показателем для источников на основе вакуумно-дугового разряда.

7. Для ионного источника e-MEWA, идея которого предложена в ИТЭФ, аналитически исследованы электростатические колебания, возникающие при инжекции электронного пучка в плазму вакуумно-дугового разряда. Получены условия стабильной работы источника. Результаты исследования позволили усовершенствовать работу данного источника. Впервые в мире экспериментально достигнуто повышение зарядности ионов свинца, генерируемых вакуумно-дуговым разрядом, в результате инжекции электронного пучка в плазму вакуумно-дугового разряда.