Эцр источники многозарядных ионов

XXIX Звенигородская конференция по физике плазмы и УТС, 25 февраля – 1 марта 2002 г.

ЭЦР источники многозарядных ионов

С.В. Голубев, В.Г. Зорин

Институт прикладной физики РАН
С совершенствованием ЭЦР источников многозарядных ионов¹ (МЗИ) связано динамично развивающееся направление физики плазмы. Действительно, ежегодно появляются сообщения о новых успехах в этой области. К настоящему времени все крупные ускорительные центры мира оснащены такими источниками ионов, и именно с этим связываются значительные успехи в области ядерной физики, достигнутые в последние годы [1]. Однако современные требования, предъявляемые к источникам, существенно превышают их возможности. В первую очередь необходимо повышение тока ионного пучка. С этой целью для создания и нагрева плазмы используется более высокочастотное и более мощное СВЧ излучение, что позволяет создавать более плотную плазму, и, следовательно, увеличить ток ионов. Эксперименты в ИПФ РАН продемонстрировали перспективность использования гиротронов миллиметрового излучения для нагрева плазмы в ЭЦР источника многозарядных ионов [2].
Необходимо отметить еще одно возможное использование ЭЦР разряда с высокой плотностью плазмы в качестве источника мягкого рентгеновского излучения.
В предлагаемой работе представлен обзор последних экспериментальных и теоретических исследований по созданию ЭЦР источников многозарядных ионов и мягкого рентгеновского излучения с высокой плотностью плазмы. Увеличение плотности плазмы стало возможным благодаря использованию мощного излучения миллиметрового диапазона длин волн. Эксперименты проводились на установке, описанной в [2]. Для нагрева плазмы использовалось СВЧ излучение с максимальной мощностью W=130 кВт, частотой f=37,5 ГГц и длительностью импульса до 1,5 мс, сфокусированное вдоль магнитных силовых линий в магнитную ловушку с пробочным отношением, изменяемым от 3 до 6 и длиной ловушки 25 см.
Показано, что при плотности плазмы превышающей значение, удовлетворяющее условию _c<_g, изменяется характер удержания плазмы в ловушке, реализуется квазигазодинамический режим с заполненным конусом потерь и изотропной функцией распределения электронов по скоростям [3] (здесь: _c_e^-1 классическое, а _g  RL(V_s)^-1- газодинамическое времена жизни). Для этого режима возможен достаточно детальный теоретический анализ удержания плазмы и расчет формирования распределения ионов по зарядам [3]. Теоретические результаты хорошо согласуются с экспериментальными данными, в частности оценками времен жизни плазмы и плотности полного тока ионов, последняя достигала в этом режиме нескольких ампер на квадратный сантиметр. Данный режим близок к оптимальному для генерации мягкого рентгеновского излучения из плазмы. Показано, что в области энергий квантов 50 – 300 эВ доминирует линейчатый спектр излучения многозарядных ионов. Экспериментальная эффективность преобразования миллиметрового СВЧ излучения в рентген (пропорциональная плотности плазмы) достигала 10% [4].
При более низкой плотности плазмы возможна реализация режима удержания с сильно анизотропной функцией распределения электронов по скоростям. В этом случае время жизни плазмы может быть существенно выше и генерация МЗИ в плазме более эффективной, при меньшей плотности тока ионов. Полученное в экспериментах распределение ионов по зарядовым состояниям для азота имело максимум на заряде +4. Полная плотность тока ионов всех зарядов достигал значения нескольких сотен мА/см2 [5], что существенно больше, чем в традиционных ЭЦР источниках многозарядных ионов.

Литература

1. R. Geller. From A to mA: ion sources progress and perspective for the coming year, Workshop on Production of Intense beams of highly charged ions, Catania, Italy, September 2000.

2. 
   S.V. Golubev, S.V. Razin, V.G. Zorin. Ion Charge State Distribution in Plasma of ECR Discharge Sustained by Powerful Millimeter Wave Radiation. Review of Scientific Instruments, v. 69 (1998) N. 2, p. 634 – 636.
   
3. 
   V.E. Semenov, A. N. Smirnov, and A. Turlapov. Modeling of a Mirror-Trapped Plasma for an ECR ion Source. Transactions of Fusion Technology, v. 35, (1999), N. 1T, p. 398.
   
4. 
   А.В.Водопьянов, С.В. Голубев, В.Г. Зорин, А.Ю. Крячко, А.Я.Лопатин, В.И. Лучин, С.В. Разин, А.Н. Смирнов. Электронно-циклотронный резонансный разряд в тяжёлых газах, поддерживаемый мощным микроволновым пучком в магнитной ловушке, как источник мягкого рентгеновского излучения. Письма в ЖТФ. т. 26 (2000), в.24, с. 7-12.
   
5. 
   J.L. Bouly, J.C. Curdy, R. Geller, S.V. Golubev, A. Lacoste, T.Lamy, P.Sole, P. Sortais, S.V. Razin, J.L. Vieux-Rochaz, T. Thuillier, A.V. Vodopyanov, V.G. Zorin, To be bublished in Review of Scientific Instruments.
   

1 Плазма в ЭЦР источниках многозарядных ионов создается в прямой магнитной ловушке и нагревается СВЧ излучением на частоте электронно-циклотронного резонанса.