Экспериментальное исследование циклотронного источника пеннинговского типа с подогревным катодом с целью повышения интенсивности пучков многозарядных ионов газов и твердых веществ

• Автор: Богомолов, Сергей Леопольдович
• Шифр специальности: 01.04.20
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1998
• Место защиты: Дубна
• Количество страниц: 104 с.

Содержание.
0.1 Введение
Глава I Источники многозарядных ионов
1.1 Дуоплазматрон
1.2 Источники многозарядных ионов Пеннинговского типа
1.3 Источники ионов с мультипольным магнитным поллєм
1.4 Вакуумно-дуговые источники ионов
1.5 Электронно-лучевые источники ионов
1.6 Лазерные источники ионов
1.7 Источники ионов с электронно-циклотронным резонансом. 29 Глава II Возможности увеличения интенсивности извлеченных пучков из
источника многозарядных ионов Пеннинговского типа
2.1 Общие положения
2.2 Эффект увеличения площади эмиссионной поверхности
2.3 Анализ экспериментальных даных по пространственному распределению концентрации многозарядных ионов в столбе разряда
2.4 Получение многозарядных ионов тугоплавких металлов из источника Пеннинговского типа
Глава III Применение скрещенных электрического и магнитного полей в
источнике Пеннинговского типа
3.1 Общие положения
3.2 Циклотронный источник многозарядных ионов Пеннинговского типа
с дополнительным анодом
3.3 Получение ионов твердых веществ из источника Пеннингоского типа
с дополнительным анодом
3.4 Двухкамерный источник Пеннинговского типа с транспортировкой плазмы скрещенными электрическим и магнитными полями
3.5 Импульсная эмиссия ионов из источника Пеннинговского типа с дополнительным анодом
3.6 Селективное извлечение ионов из источника Пеннинговского типа с дополнительным анодом
3.7 Формирование ионных пучков с использованием скрещенных электрического и магнитного полей
Г лава IV Получение пучков ионов тугоплавких металлов из источников с
мультипольным магнитным полем
4.1 Общие положения
4.2 Экспериментальная проверка 81 Глава V Получение пучков ионов редких обогащенных изотопов
газообразных и твердых веществ
5.1 Получение ускоренных пучков ионв изотопов 348 и 36Б на циклотроне 84 У-400.
5.2 Эксперименты по получению пучков ионов 48Са из источника Пеннинговского типа циклотрона У
Заключение
Литература
0.1 ВВЕДЕНИЕ.
Большинство важнейших достижений атомной физики, ядерной физики, физики элементарных частиц неразрывно связаны с разработкой и совершенствованием методов получения потоков ускоренных частиц. За последнее время потоки ускоренных частиц стали незаменимым инструментом также для физики плазмы и исследований по управляемому термоядерному синтезу, физики твердого тела, химии, биологии, медицины, важнейших областей новой техники и технологии.
В ядерной физике широкое применение нашли ускоренные пучки тяжелых ионов. Исследования с тяжелыми ионами имеют исключительные возможности как в области изучения фундаментальных проблем, так и в решении прикладных и технологических задач. Возможности решения тех или иных фундаментальных и прикладных задач с помощью пучков тяжелых ионов определяются уровнем развития ускорительной техники.
Более 40 лет назад в Лаборатории ядерных реакций для решения проблемы получения ускоренных тяжелых ионов был выбран циклотронный метод ускорения
1955 году на 150 см циклотроне ИАЭ были получены пучки ионов углерода, азота и
12 1 кислорода с интенсивностью до 10 частиц/сек и энергией до 6 МэВ/нуклон
получения многозарядных ионов был использован дуговой источник с подогревным
катодом, разработанный Б.Н.Маковым, П.А.Морозовым и М.С.Иоффе2. В дальнейшем,
при развитии ускорительной базы ЛЯР - строительстве циклотронов У-300, У-150, У-
200, У-400, ИЦ-100, У-400М - за основу была принята эта конструкция источника.
В результате более чем 30-летнего совершенствования источника были найдены существенные возможности повышения интенсивности и заряда ионов (импульсный режим работы источника, использование катодов из тантала и другие) а также создания различных модификаций конструкции, позволяющих получать интенсивные пучки ионов редких изотопов таких как 48Са, э0Т1, 54Cr, 58Fe и других, используя исходное вещество непосредственно в твердой фазе3.
Источник данного типа был применен на циклотронах и имплантаторах Франции, США, Японии. На ускорительном комплексе GSI (Darmstadt) дуговой источник с подогревным катодом продолжает использоваться для проведения экспериментов, требующих высокой интенсивности ускоренного пучка. Ведутся интенсивные работы по его усовершенствованию, чтобы обеспечить следующий этап модернизации Национального ускорительного комплекса тяжелых ионов Германии.

Однако в последние годы существенный прогресс достигнут в развитии источников многозарядных ионов, основанных на явлении нагрева электронов на частоте электронно-циклотронного резонанса (ECR).
Сравнение характеристик дугового источника с подогревным катодом (PIG) и ECR источника, а также других источников многозарядных ионов показано на Рис.0.1, где приведена диаграмма заряд-интенсивность4.
Charge state q
Рис.0.1 Интенсивность пучков ионов Хе, получаемых из источников типа
PIG, дуоплазматрон (DP), лазерный (LPIS), ECR, и электронно-лучевого.
(EBIS).
Видно, что в области относительно низких зарядов (отношение A/Z>10) источник PIG существенно превосходит ECR по интенсивности, хотя ECR источник несомненно имеет ряд преимуществ, таких как продолжительность непрерывной работы, временная стабильность и качество пучка.
Источники PIG и ECR дополняют друг друга. Таким образом, для решения фундаментальных и прикладных задач физики тяжелых ионов с использованием всего диапазона масс и энергий ускоренных пучков необходимо применение различных типов ионных источников. Например, для циклотронного комплекса JT5IP - PIG, ECR; для ускорительного комплекса GSI - PIG, MEVVA, CHORDIS, ECR. Поэтому проблема

Как правило, сечение разрядного канала составляет 8x8 мм2, и размер эмиссионной щели - 2x15 мм2. Расстояние между катодом и антикатодом в ионных источниках, используемых на циклотронах составляет от 45 до 220 мм. Расход газа зависит от его массы и режима разряда и обычно составляет от 0,15 см3/мин для Хе до нескольких см3/мин для Не. Расход твердых веществ а также потенциал и ток распыляемого электрода в значительной степени зависит от свойств материала (температура плавления, коэффициент распыления, электро- и теплопроводность, и т.д.). В эксплутационных режимах расход твердых рабочих веществ составляет 10-20 мг/час.
Ниже приведены некоторые результаты, полученные в стендовых испытаниях ионных источников данного типа. Стенд ионных источников представляет собой масс-спектрометр Демпстера. В стендовых испытаниях источники работают в магнитном поле 0,3 - 0,4Т в импульсном режиме с длительностью импульса 1мс и частотой повторения 100Гц. Напряжение экстракции составляет 15 - 25кВ. Эмиссионная щель имеет размеры 1x15 мм2. Полный вытянутый ток составляет порядка ЮОмА в импульсе. В Таблице 2.1.1 представлены выходы ионов твердых веществ96. В Таблице
2.1.1 также указано содержание ионов твердых веществ в полном извлеченном токе. В Таблице 2.1.2 приведены выходы ионов газов, полученные в стендовых испытаниях. Таблица
Токи ионов газов, мА/импульс
ъ 1+ 2+ 3+ 4+ 5+ 6+ 7+ 8+ 9+ 10+ 11+ 12+ 13+ 14+ 15+
Н2 19 16 9.7 0.9 0.03
о2 42 19 9.1 1.7 0.04
Ые 36 28 10 1.2 0.12
Аг 25 28 35 12 10 2.8 1.2 0.2
Кг 25 14 10 13* 6.0 3.7 1.1 .12 .015
Хе 27 18 16 14 16 20* 9.1 4.9 2.5 0.8 0.14 0
* включая ионы примесей
На Рис.2.1.3 представлены выходы различных ионов с данным отношением массы (А) к заряду (2) AIZ =10-20, полученные в стендовых испытаниях.