Физические особенности работы сильноточных источников многозарядных ионов на основе ЭЦР разряда тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.08, кандидат физико-математических наук Водопьянов, Александр Валентинович

• Водопьянов, Александр Валентинович
• кандидат физико-математических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Водопьянов, Александр Валентинович

у Введение

Глава 1. Описание экспериментальной установки и методов диагностики.

1.1. Экспериментальная установка.

1.1.1. Система ввода СВЧ мощности (гиротрон и квазиоптический СВЧ тракт)

1.1.2. Магнитная ловушка.

1.1.3. Вакуумная система, напуск газа.

1.1.4. Система предыонизации напускаемого газа.

1.1.5. Система синхронизации исполнительных устройств.

1.1.6. Система экстракции ионов.

1.2. Методы диагностики

1.2.1. Зондирование СВЧ волной

1.2.2. Зонды

1.2.3. Детектор рентгеновского излучения XR-100T.

1.2.4. Диагностика плазмы в оптическом диапазоне

1.2.5. Анализатор разлетающейся плазмы

1.2.6. Цилиндры Фарадея

1.2.7. Магнитостатический анализатор ионных пучков

Глава 2. Формирование многозарядных ионов в плазме ЭЦР разряда.

2.1. Образование многозарядных ионов в плазме.

2.2. Измерение параметров плазмы в квазигазодинамическом режиме удержания плазмы

2.3. Две стадии разряда.

2.4. СВЧ дуга

2.5. Формирование пучка ионов из плотной плазмы ЭЦР разряда.

Глава 3. Многократная дополнительная ионизация ионов плазмы вакуумно-дугового плазмогенератора в магнитной ловушке с нагревом электронов в условиях ЭЦР

3.1. Введение

3.2. Вакуумно-дуговой плазмогенератор

3.3. Дополнительная ионизация ионов металлов плазмы вакуумно-дугового разряда в магнитной ловушке с нагревом электронов в условиях ЭЦР

3.4. Обсуждение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Физические особенности работы сильноточных источников многозарядных ионов на основе ЭЦР разряда»

В последнее время наблюдается быстрое развитие технологий, связанных с использованием пучков ионов; например, обработка и модификация поверхностей полупроводников [1], ионно-лучевая эпитаксия [2] и имплантация [1], воздействие на раковые опухоли [3] и т.д. Широко используются интенсивные пучки частиц и в научных исследованиях, например, для дополнительного нагрева плазмы в тороидальных установках термоядерного синтеза [4], для нагрева специальных мишеней в установках инерционного термоядерного синтеза [5], для синтеза новых сверхтяжелых элементов таблицы Менделеева [6] и т.д. Все это стимулирует высокую активность в исследованиях и совершенствовании источников ионов.

К настоящему времени созданы и активно используются несколько классов источников ионов, отличающихся как способом создания плазмы, так и параметрами производимых пучков. Подробное описание источников ионов различных типов и способов их применения собраны в целом ряде монографий, см., например, [7]. Одной из актуальных является задача создания источников многозарядных ионов (МЗИ) тяжелых элементов [8-10], которые находят широкое применение, как в науке, так и в технике. Дело в том, что энергия ускоряемых ионов зависит от заряда иона и растет пропорционально заряду в линейных и пропорционально квадрату заряда в циклотронных ускорителях, т.е. использование многозарядных ионов позволяет при тех же ускоряющих напряжениях получать существенно большие энергии ионов или, соответственно, снижать ускоряющие напряжения при сохранении энергии частиц. Среди источников МЗИ отметим источники на основе разряда низкого давления, поддерживаемого в открытой магнитной ловушке электромагнитным излучением в условиях электронно-циклотронного резонанса (ЭЦР). ЭЦР источники выгодно отличаются от источников других типов в тех случаях, когда требуется умеренно высокий средний заряд ионов (например, 7-9 для аргона) при достаточно большом токе пучка (~ 100 мкА). Они имеют большой ресурс работы, стабильны, позволяют легко менять рабочее вещество. Эти источники широко применяются, например, для получения интенсивных пучков МЗИ и инжекции их в циклотронные ускорители; более того, можно утверждать, что создание ЭЦР источников многозарядных ионов вдохнуло новую жизнь в циклотронные ускорители, существенно расширив возможности последних. В настоящее время более 50 источников МЗИ на основе ЭЦР уже работают в ускорительных центрах мира, а все новые циклотронные комплексы создаются в расчете на работу с источниками многозарядных ионов этого типа.

Широкое применение ЭЦР источников МЗИ требует постоянного совершенствования их работы - повышения интенсивности ионных пучков, увеличения заряда ионов, улучшения качества пучка. Согласно современным представлениям, для повышения эффективности работы плазменных источников МЗИ необходимо создание плотной, достаточно долгоживущей неравновесной плазмы, температура электронов в которой существенно превосходит температуру ионов. Один из путей создания такой плазмы в ЭЦР источниках ионов связан с увеличением частоты и мощности используемого СВЧ излучения. Так в серии экспериментальных работ [11,12], был значительно увеличен выход многозарядных ионов при изменении частоты от 10 до 18 ГГц. На основании этих экспериментов был разработан полуэмпирический скейлинг, согласно которому ток ионов со средним зарядом увеличивается пропорционально квадрату частоты, а распределение ионов по зарядам незначительно смещается в сторону большей кратности ионизации.

В связи с этим понятен интерес к ЭЦР источникам, использующим в качестве накачки излучение с более высокими частотами 30 ГГц). В настоящее время экспериментальные исследования с использованием таких источников, где нагрев плазмы осуществляется коротковолновым излучением гиротронов, начаты в России, США, Франции и Италии.

Хорошие предпосылки для развития исследований ЭЦР разряда, поддерживаемого мощным миллиметровым излучением, в качестве источников многозарядных ионов нового поколения имеются именно в России. В ИПФ РАН накоплен необходимый опыт проведения экспериментальных и теоретических плазменных исследований; созданы мощные гиротроны, по уровню разработок которых ИПФ РАН занимает ведущее положение в мире. В институте давно и успешно занимаются исследованиями в области электронно-циклотроного резонансного создания и нагрева плазмы в различных магнитных ловушках. В частности, предложена наиболее популярная в настоящее время схема нагрева плазмы в токамаках, исследованы особенности ЭЦР пробоя газа и т.д. В ИПФ РАН впервые получен непрерывно горящий ЭЦР разряд, поддерживаемый излучением отечественного гиротрона на частоте 100 ГГц с мощностью 4 кВт [13]. В настоящее время в ИПФ РАН ведутся исследования физических особенностей плазмы ЭЦР разряда, поддерживаемого излучением импульсного гиротрона мощностью до 130 кВт на частоте 37,5 ГГц, в импульсной магнитной ловушке на основе "теплых" катушек. Показано, что плазма разряда является эффективным источником мягкого рентгеновского излучения в диапазоне длин волн порядка 100 ангстрем, представляющего собой линейчатое излучение многозарядных ионов. О хороших перспективах использования такого разряда в качестве источника МЗИ свидетельствуют результаты уже первых экспериментов [14]. Анализ вылетевших из плазмы вдоль магнитного поля ионов показал, что распределение ионов, для определенности аргона, по зарядам имеет резко выраженный максимум на кратностях ионизации 9-11. (Отметим, что в традиционных источниках максимум распределения ионов аргона по зарядам соответствует заряду +8.) При этом плотность тока насыщения на двойной ленгмюровский зонд в плазме, вылетевшей из ловушки, достигала величины 1 А/см2, что позволяет надеяться на получение пучка ионов аргона с рекордно высоким током.

Таким образом, представляется весьма перспективным и актуальным проведение исследований ЭЦР разряда, поддерживаемого мощным излучением гиротронов миллиметрового диапазона длин волн, как с точки зрения возможных приложений, так и с точки зрения развития фундаментальной науки. Действительно, использование мощного коротковолнового излучения позволяет проводить исследования ЭЦР разряда при больших интенсивностях СВЧ излучения (до сотен кВт/см2) и обеспечивать удельный энерговклад в плазму на уровне 10 кВт/см . В случае разряда в тяжелых газах можно надеяться на получение плазмы с уникальными параметрами: электронной плотностью на

13 3 уровне 10 см" и энергией электронов порядка единиц кэВ (оптимальной для образования МЗИ). При этом существенное (более чем на порядок по сравнению с традиционными источниками, использующими для накачки излучение с частотой 10-18 ГГц) увеличение плотности плазмы может привести к изменению характера удержания плазмы в ловушке: реализуется так называемый квазигазодинамический (КГД) режим удержания, при котором время жизни плазмы слабо зависит от ее плотности, вследствие чего при увеличении плотности плазмы улучшаются условия для образования многозарядных ионов (растет параметр удержания NeTj, где Ne -концентрация электронов, Т; - время жизни плазмы). При этом не только увеличится интенсивность ионных пучков (пропорционально плотности плазмы), но, и это главное, распределение ионов по зарядам должно существенно сместиться в сторону больших кратностей ионизации.

Отметим еще одну особенность предлагаемой диссертации. Дело в том, что все существующие источники МЗИ основаны на магнитных ловушках, использующих для подавления МГД-неустойчивостей конфигурацию магнитного поля с "минимумом В", что существенно усложняет изготовление криомагнитной системы и ограничивает увеличение частоты СВЧ-накачки (<30 ГГц). Если бы МГД неустойчивость не была подавлена, поперечные потери плазмы в традиционном источнике превосходили бы продольные, и необходимый для формирования МЗИ параметр удержания Neij не достигался бы. В диссертационной работе исследования ЭЦР разряда проводились в простой магнитной ловушке (без "минимума В"), но при существенно большей интенсивности СВЧ-излучения, что позволило создать плотную сильно неравновесную плазму. В нашем случае время жизни плазмы в ловушке, обусловленное выносом плазмы через торцы ловушки, оказывалось меньше или порядка времени развития МГД неустойчивостей плазмы, и поэтому эти неустойчивости не играли важной роли в процессе формирования МЗИ, а высокий параметр удержания плазмы достигался за счет большой концентрации плазмы. В нашем случае существенное влияние на динамику плазмы в магнитной ловушке оказывает процесс газовыделения со стенок вакуумной камеры под действием потока плазмы. При некоторых параметрах он может носить взрывной характер и играть определяющую роль.

Таким образом, плотная неравновесная плазма ЭЦР разряда в магнитной ловушке обладает рядом уникальных параметров и представляется новым интересным объектом физики газового разряда. Дело в том, что развитие ЭЦР разряда в тяжелых газах при больших интенсивностях СВЧ излучения существенно отличается как от случая ЭЦР нагрева плазмы в термоядерных установках, -отличия связаны, в первую очередь, с сильными искажениями равновесного распределения электронов по импульсам, сложной кинетикой столкновительного взаимодействия электронов с тяжелыми многозарядными ионами, важной ролью в энергетическом балансе радиационных потерь, так и от разряда в традиционных ЭЦР источниках многозарядных ионов, - отличия обусловлены существенно большим удельным энерговкладом, изменением режима удержания, наличием нового канала потерь электронов, связанного с их рассеянием в конус потерь при взаимодействии с мощным резонансным полем накачки.

Как уже отмечалось выше, основным приложением источников многозарядных ионов является их применение в ускорителях. Для успешного решения целого ряда задач на ускорительных комплексах (в частности, синтеза новых элементов) требуются источники многозарядных ионов тяжелых элементов, а все элементы периодической системы тяжелее ксенона в нормальных условиях находятся в твердом агрегатном состоянии. При использовании специальных печей, в которых рабочее вещество сильно нагревается, испаряется и инжектируется в ЭЦР источник, возможно получение МЗИ тяжелых элементов (свинец, уран) [15], которые в нормальных условиях находятся в твердом состоянии, но обладают сравнительно низкими температурами плавления и кипения. Существенным недостатком этой схемы является невозможность работы с тугоплавкими элементами (с температурами плавления более 2000 градусов).

Для решения этой задачи наиболее привлекательной представляется идея использования вакуумно-дугового плазмогенератора для инжекции плазмы тугоплавких металлов (в катодных пятнах вакуумно-дугового разряда интенсивно испаряется и ионизуется любой тугоплавкий металл) [16] в ЭЦР источник с целью дополнительной ионизации ионов. Оказывается, что в плотной плазме ЭЦР разряда, поддерживаемого излучением гиротронов, за время пролета ионами размера ловушки успевает происходить заметная дополнительная ионизация. Т.е. использование плотной плазмы позволяет достичь необходимого значения параметра удержания и при малых временах жизни ионов в ловушке и обеспечить получение многозарядных ионов тугоплавких металлов.

Целью предлагаемой диссертационной работы является исследование физических особенностей плотной плазмы СВЧ разряда в тяжелых газах и парах металлов, поддерживаемого в прямых магнитных ловушках в условиях электронно-циклотроного резонанса мощным импульсным излучением гиротронов, и выяснение перспектив использования такой плазмы в источнике многозарядных ионов для различных приложений, среди которых в первую очередь отметим инжекцию пучков МЗИ в ускорители тяжелых частиц.

Краткое содержание диссертации

Во Введении обоснована актуальность выбранной темы исследований, сформулированы основные цели работы, отмечены научная новизна и практическая значимость полученных результатов, кратко изложено содержание каждой главы.

В главе 1 описываются принципы построения экспериментальной установки и особенности функционирования всех систем, представлена применяемая в работе диагностическая аппаратура и обсуждаются использованные диагностические методы.

В разделе 1.1 приводится описание экспериментальной установки. Экспериментальная установка функционально разделяется на несколько систем, отвечающих за создание плазмы и ионного пучка. Это устройство ввода СВЧ мощности, магнитная ловушка, вакуумная система, система напуска газа, предыонизации, синхронизации исполнительных устройств и экстракции ионов.

Источником СВЧ излучения в экспериментах являлся гиротрон с частотой излучения 37.5 ГГц, мощностью до 130 кВт, линейной поляризацией. Фокусирование квазигауссова пучка СВЧ излучения в разрядную камеру осуществлялось с помощью диэлектрической линзы. Квазиоптический ввод СВЧ мощности в плазму при наших параметрах оказывается предпочтительным. Потери мощности минимальны, тракт является простым и легко перенастраиваемым. Плотность СВЧ мощности в перетяжке достигала 14 кВт/см2, при этом напряженность электрического поля в волне равна 3.2 кВ/см. Чтобы исключить отражение от замагниченной плазмы, электромагнитная волна вводилась в область ЭЦР нагрева со стороны большего магнитного поля.

В экспериментальной установке реализована "тёплая" импульсная зеркальная симметричная магнитная ловушка. Магнитное поле создавалось током, протекающим через последовательно соединенные катушки. Пробочное отношение магнитной ловушки (отношение максимальной величины поля на оси к его значению в центре ловушки) могло меняться от 3.5 до 10. Магнитное поле ловушки рассчитывалось во всем объеме и, для контроля, измерялось на оси системы с помощью преобразователя Холла. В ловушке есть две ЭЦР зоны (поверхности, на которых происходит интенсивный обмен энергией между СВЧ полем и плазмой), они расположены симметрично между пробками ловушки и ее центром. Резонансная напряженность магнитного поля для частоты СВЧ излучения 37.5 ГГц составляет 1.34 Тл.

Откачка вакуумного объема на экспериментальной установке ведётся двумя турбомолекулярными насосами. Остаточное давление в вакуумных камерах составляет менее 10"6 торр. Напуск рабочего газа осуществлялся импульсным образом по оси системы через кварцевую трубку, впаянную по центру СВЧ входного окна. Для реализации импульсного натекания газа использовался специальный быстродействующий электромагнитный клапан. Поток газа составлял от 1017 до 5-1019 частиц в секунду. Импульсный напуск газа позволял достигать значительных потоков нейтралов при сохранении остаточного давления на минимальном уровне.

Для того чтобы сократить время развития пробоя, стабилизировать момент его появления и сделать пробой возможным при низких рабочих давлениях, в экспериментальной установке была реализована система предварительной ионизации напускаемого газа за счет импульсного (длительность <100 мкс) пробоя его в кварцевой трубке высоковольтным напряжением -15 кВ. В результате пробоя напускаемого газа в разрядной камере к моменту начала СВЧ импульса оказывался уже частично ионизованный газ, и на развитие разряда требовалось существенно меньшее время.

Импульсные катушки магнитного поля ловушки, клапан напуска газа, предыонизатор, гиротрон и все остальные устройства включались в нужные моменты времени с помощью разработанной системы синхронизации исполнительных устройств с программным управлением на основе персонального компьютера с аналого-цифровым преобразователем и цифровыми ТТЛ выходами с гальванической развязкой и усилителем.

Формирование пучка ионов, образованных в плазме, осуществлялось с помощью традиционной для ЭЦР источников МЗИ двухэлектродной экстрагирующей системы пирсовой геометрии. Высокое напряжение (до 30 кВ), ускоряющее ионы, подавалось на разрядную вакуумную камеру, внутри которой установлен плазменный электрод, а вытягивающий электрод и остальная часть ионного тракта находятся под нулевым потенциалом. Электроды извлекающей системы устанавливались на оси за пределами магнитной ловушки.

В разделе 1.2 приводится описание диагностической аппаратуры и диагностических методов, использованных при выполнении работы.

Отметим, что в нашем случае СВЧ разряда низкого давления в магнитной ловушке в условиях ЭЦР, длины свободного пробега электронов во много раз превосходят размеры системы. Действительно, для характерных параметров плазмы Ne = 10 см" , Те = 300 эВ длина свободного пробега электрона в ловушке до столкновения с выходом в конус потерь составляет 130 м, а длина ловушки составляет всего 25 см, и любые контактные методы измерения параметров плазмы внутри магнитной ловушки приводят к сильным нелокальным изменениям во всей плазме и, следовательно, являются неприемлемыми. В экспериментах использовались бесконтактные активные и пассивные диагностические методы.

К активным методам относится зондирование СВЧ волной. Для оценки плотности плазмы в ЭЦР разряде проводились измерения коэффициентов прохождения через плазму слабой диагностической СВЧ волны. СВЧ излучение мощностью около 10 Вт с частотой 35.52 ГГц и линейной поляризацией, соответствующей обыкновенной волне, вводилось в плазму перпендикулярно магнитному полю в центральном сечении ловушки.

К пассивным методам относятся: регистрация оптического излучения, регистрация тормозного излучения, измерения параметров плазмы, уже покинувшей магнитную ловушку. Для анализа плазмы, вытекающей из ловушки, использовались зонды, анализатор ионов разлетающейся плазмы, анализатор ионного пучка, цилиндры Фарадея. Для контроля параметров плазмы использовались ленгмюровские одиночные зонды, расположенные в диагностической вакуумной камере. Один - "опорный" - располагался вблизи продольной оси системы на расстоянии 65 см от центра ловушки и использовался для "привязки" режимов работы установки, а второй помещался на манипулятор и использовался для исследований пространственных распределений.

Основной метод определения концентрации и температуры плазмы, использованный в работе, основан на регистрации и анализе спектра тормозного излучения электронов в поле ионов. Регистрация рентгеновского излучения плазмы ЭЦР разряда в диапазоне энергий квантов hv « 2 - 15 кэВ (длины волн X « 6.2 -0.83 А) осуществлялась с помощью детектора рентгеновского излучения XR-100T, основу которого составляет охлаждаемый кремниевый p-i-n диод. Детектор XR-100Т работает в режиме счёта фотонов. По наклону спектра в полулогарифмическом масштабе можно определить температуру электронов, а по абсолютной величине интенсивности - концентрацию плазмы.

Регистрация оптического излучения плазмы осуществлялась через окно из кварцевого стекла, установленное на боковой фланец разрядной камеры. При этом свечение плазмы фиксировалось визуально и с помощью приборов разного типа: зеркальной фотокамеры; фотоэлектронного умножителя, позволяющего наблюдать динамику свечения плазмы либо интегрально по всей светящейся области, либо из выделенного коллиматором объема; фотоэлектронного регистратора на основе электронно-оптического преобразователя (ЭОП). С помощью фотоэлектронного регистратора можно было наглядно и эффективно исследовать динамику свечения ЭЦР разряда в магнитной ловушке. Система управления электронным пучком регистратора позволяла получать серию из последовательных "мгновенных" снимков разряда за один рабочий импульс плазмы.

Для определения эффективности образования МЗИ в плазме в экспериментах был использован анализатор ионов разлетающейся плазмы. Двухступенчатый пятиканальный анализатор ионов разлетающейся плазмы является прибором, позволяющим независимо изучать их распределение по W/q (отношение энергии иона к его заряду) и по q/m (отношение заряда иона к его массе). В нем реализован магнитостатический и электростатический анализ. W

Величина разрешающей способности анализатора по энергии ионов — Ч

V я и q по отношению заряда к массе — т от 3 до 4. Анализатор использовался для исследований параметров плазмы (ионный состав и температура) в различных режимах работы экспериментальной установки.

Для определения характеристик ионного пучка, экстрагированного из плазмы ЭЦР разряда, использовались цилиндры Фарадея и магнитостатический анализатор. Используемые цилиндры Фарадея имели защитный заземленный, коллектор и запирающий (вторичные электроны) электроды. Цилиндры Фарадея устанавливались в диагностическую камеру. Первый, перехватывающий весь ионный пучок, прошедший сквозь вытягивающий электрод, устанавливался на оси магнитной ловушки. Второй цилиндр Фарадея с маленьким (по отношению к размеру ионного пучка) входным отверстием устанавливался на манипулятор в диагностическую камеру для измерения пространственного распределения ионного пучка.

Для анализа состава ионного пучка в экспериментах использовался магнитостатический анализатор. Этот прибор предназначен для анализа пучков достаточно энергичных положительных ионов, экстрагируемых из плазмы. Сформированный квазимоноэнергетический пучок попадает в щель электромагнита с однородным поперечным магнитным полем. Вакуумная камера электромагнита выполнена таким образом, что «выживают» только частицы, двигающиеся по определенному радиусу. Массовое (зарядовое) разрешение такого прибора зависит от степени моноэнергетичности пучка, величины магнитного поля, геометрических параметров. Измеренное массовое (зарядовое) разрешение при напряжении 6000 вольт. Использование этой диагностической аппаратуры позволило более детально исследовать динамику спектров ионов пучка по кратностям ионизации и, кроме того, сделало возможным разделять на спектрах линии ионов примесей от линий ионов напускаемого газа. Ч анализатора — т М-1

А — составляет 8 при напряжении экстракции 600 вольт и 15 vWJ

В главе 2 описаны исследования особенностей формирования многозарядных газовых ионов плазмы ЭЦР разряда и приводятся результаты экспериментов по извлечению пучка ионов.

В разделе 2.1 описываются физические представления об образовании МЗИ в плазме ЭЦР разряда, обсуждаются режимы удержания ЭЦР плазмы в магнитных ловушках и особенности формирования плотной плазмы при больших энерговкладах.

В разделе 2.2 описываются эксперименты по измерению концентрации и температуры плазмы ЭЦР разряда, демонстрируется реализация КГД режима удержания плазмы, приводятся результаты исследования зависимости ионного состава плазмы от внешних управляющих параметров.

Использование гиротрона в качестве источника мощного излучения для поддержания разряда позволило достичь в нашем случае рекордных для ЭЦР разрядов значений энерговклада и энергосодержания плазмы, позволило создать и поддерживать плазму с концентрацией, на порядок превосходящей по величине значения в традиционных ЭЦР источниках, при этом температура электронов была на достаточно высоком уровне, что позволяет надеяться на существенную кратность ионизации в такой плазме. Значения температуры и концентрации плазмы получены в результате анализа спектра тормозного (электрон-ионного) рентгеновского излучения в диапазоне энергий квантов 2-10 кэВ. Основываясь на виде спектра излучения можно предположить, что в плазме имеется две фракции электронов. Первая «теплая» фракция имеет температуру Tw « 300 эВ и концентрацию Nwss 4-1013 см"3, вторая «горячая» фракция имеет температуру Th « 10 кэВ и концентрацию Nh « 1.5-109 см"3. О наличии в плазме двух фракций электронов свидетельствуют и результаты исследования распада плазмы. Осциллограмма ионного тока распадающейся плазмы в полулогарифмическом масштабе хорошо аппроксимируется двумя экспоненциальными зависимостями: осехр(- t / 50мкс) и осехр(- t / 900 мкс), что может свидетельствовать о том, что в плазме существовали две электронные фракции с различными параметрами. Горячая фракция электронов, по-видимому, не оказывает влияния на удержание плазмы, и режим удержания плазмы определяется теплой фракцией. Таким образом, параметры плазмы попадают в область квазигазодинамического режима удержания плазмы в магнитной ловушке.

Одним из важнейших управляющих параметров ЭЦР разряда в КГД режиме удержания плазмы является напуск газа. Исследования распределений ионов по кратностям ионизации от внешних параметров показали, что при уменьшении давления рабочего газа средний заряд ионов повышается. Это свидетельствует о том, что параметры плазмы находятся в области, где для достижения данной кратности ионизации параметр удержания достаточен, а температура электронов не достаточно высока. Отметим также, что уменьшение магнитного поля ловушки или уменьшение вводимой СВЧ мощности приводит к уменьшению среднего заряда ионов. По-видимому, большая напряженность магнитного поля ловушки способствует лучшему удержанию плазмы, а, следовательно, и повышению температуры, кроме того, увеличение магнитного поля может улучшать условия нагрева электронов. Растущая зависимость среднего заряда ионов от мощности СВЧ накачки также свидетельствует в пользу того, что температура электронов оказывается недостаточной для наибольшей скорости многократной ионизации.

Для улучшения распределения ионов по кратностям ионизации (увеличения среднего заряда) в нашей ситуации необходимо понижать давление рабочего газа, однако при его понижении начиная с некоторого уровня происходят качественные изменения разряда. А именно, появляется выраженное разделение длительности горения разряда на две стадии.

Исследования перехода от одной стадии разряда к другой, измерения параметров плазмы на обеих стадиях описаны в разделе 2.3. Для изучения динамики параметров плазмы в таком режиме - режиме с двумя стадиями разряда -были, в частности, определены температура и концентрация электронов по излучению аргоновой плазмы в рентгеновском диапазоне с разрешением во времени, и одновременно с этим регистрировались распределения ионов по зарядам и энергиям с помощью пятиканального анализатора частиц. Получено, что значения основных параметров плазмы на двух стадиях разряда составляют:

Первая: Zj = 7.5, Те = 400 эВ, Ne - 0.5-1013 см"3.

Вторая: Ъ, = 6, Те = 250 эВ, Ne = 4-1013 см"3.

О резком возрастании концентрации и уменьшении температуры плазмы на второй стадии разряда свидетельствует также измерения коэффициента прохождения диагностического СВЧ излучения через плазму и энергетических спектров ионов разлетающейся плазмы. Таким образом, на второй стадии разряда, по-видимому, реализуется квазигазодинамический режим удержания плазмы с заполненным конусом потерь, а первая стадия попадает в переходную область. В обоих случаях время удержания плазмы определяется ионно-звуковой скоростью, с которой плазма вытекает через пробки ловушки. Параметр удержания NeTj составляет

8 9 3

1.5-10 и 1.6-10 см" -с, соответственно. Большее значение параметра удержания на второй стадии не приводит к увеличению среднего заряда из-за резкого уменьшения температуры электронов. Полученные распределения ионов по кратностям ионизации находятся в соответствии с теоретически предсказанными [17] значениями для плазмы с измеренными параметрами на обеих стадиях разряда.

Для детального выяснения состава плазмы и выявления примесей был использован экстрактор ионов, формирующий ионный пучок, и магнитостатический анализатор ионного пучка. В качестве рабочего газа использовался азот. В этом случае можно проводить анализ ионов по кратностям ионизации с существенно большим разрешением по сравнению с предыдущими измерениями. В этих экспериментах, как и в предыдущих, наивысший средний заряд ионов получался при максимальной СВЧ мощности, наибольшем достижимом магнитном поле ловушки и наименьшем напуске газа (пока еще происходит пробой). Как и в случае с открытым торцом ловушки, при этих параметрах, как правило, реализуется две стадии разряда. На спектре видны многозарядные ионы азота, углерода, кислорода. Максимальный уверенно зафиксированный заряд ионов азота составляет +5, а для ионов углерода это значение составляет +4. Это означает, что в плазме получены ионы, значительная часть которых "ободрана" вплоть до самой нижней s-оболочки. Этот эксперимент демонстрирует, что в прямой магнитной ловушке с накачкой мощным миллиметровым излучением гиротрона возможно получить многозарядные ионы с высокой кратностью ионизации [18]. В спектре на первой стадии разряда средний заряд ионов азота высок «4. На второй стадии средний заряд ионов ниже, и в спектре преобладают ионы примеси. На первой стадии разряда температура электронов оказывается выше, чем на второй стадии разряда, это приводит к тому, что максимальный средний заряд ионов достигается именно в начале СВЧ импульса.

Раздел 2.4 посвящен исследованию причин ограничения длительности первой стадии разряда, оптимальной с точки зрения формирования МЗИ, определению механизмов, приводящих к резкой смене параметров плазмы при переходе горения разряда из одной стадии в другую. С помощью оптических методов диагностики было обнаружено, что на первой стадии разряда плазма занимает небольшой объем и представляет собой светящийся цилиндр, вытянутый вдоль магнитной оси, поперечный размер плазменного образования не превосходил 1 см. На второй стадии поперечный размер плазмы значительно больше, плазма занимает весь объем магнитной ловушки. Появление плазмы на периферии может происходить двумя путями. Это либо перенос плазмы из центра, либо независимый пробой газа в объеме. Возможна также совместная работа этих двух механизмов.

Оценки показывают, что такое расширение плазмы поперек магнитного поля ловушки в течение СВЧ импульса за счет различных диффузионных механизмов невозможно, но к нему может приводить перенос плазмы вследствие развития перестановочной МГД неустойчивости. Оценки возможности быстрого расширения плазмы за счет независимого пробоя газа на периферии магнитной ловушки показывают, что поперечный размер плазмы в ловушке определяется (практически равен) размером источника нейтралов на торцах ловушки. Таким образом, появление плазмы на периферии возможно вследствие развития МГД перестановочной неустойчивости, либо связан с источником газа на стенке.

Исследования разряда с помощью техники скоростной фоторегистрации показали, что на первой стадии разряда плазма сосредоточена на оси магнитной ловушки, поперечный размер плазменного образования составляет около 1 см. В течение всей первой стадии разряда изображение практически не меняется, поперечный размер определяется диаметром трубки, через которую газ натекает в ловушку. На второй стадии разряда изображение представляет собой несколько четко выраженных плазменных нитей. Время жизни одной нити составляет менее 10 мкс. Анализ показывает, что такое изображение не является следствием перемещения светящейся плазмы перпендикулярно оси - светящиеся линии образуются независимо друг от друга. Влияние приосевой плазмы на развитие нитей разряда на периферии, вероятно, сводится в данном случае к поставке затравочной плазмы малой концентрации.

Развитие разряда на периферии в течение второй стадии разряда, по нашему мнению, связано с газовыделением со стенок разрядной вакуумной камеры. В пользу этого утверждения свидетельствует и существенное изменение ионного состава (увеличение доли примесей), и результаты измерения давления с помощью манометрического преобразователя.

Проведенное моделирование, основанное на пошаговом решении системы балансных уравнений, демонстрирует возможный сценарий перехода от первой стадии разряда ко второй. Взрывной рост концентрации плазмы в разряде оказывается следствием газовыделения со стенок вакуумной камеры под действием набегающего потока плазмы. Полученная в расчетах путем варьирования параметров динамика разряда качественно согласуется с наблюдаемой в экспериментах. На модели удалось показать, что газовыделение со стенок может играть определяющую роль в динамике ЭЦР разряда с большой плотностью и препятствовать образованию МЗИ в ЭЦР источниках. Резкое возрастание концентрации плазмы на оси магнитной ловушки может, в свою очередь, привести к резкому увеличению поперечных потерь плазмы и, как следствие, к инициации на периферии нитей самостоятельного разряда в десорбированном со стенок вакуумной камеры веществе.

В разделе 2.5 описываются эксперименты по экстракции ионов и формированию ионного пучка. В ЭЦР источниках МЗИ извлечение ионов осуществляется вдоль магнитного поля в районе одной из пробок ловушки. В разделе приводятся результаты расчета распределения потенциала в области экстракции, показано, что в наших условиях всегда эмитирующая способность плазмы значительно превосходила ограничение на плотность тока, связанное с пространственным зарядом. В нашей ситуации регулировать плотность плазмы в области экстракции оказывается возможным, передвижением экстрагирующих электродов вдоль оси магнитного поля ловушки. Концентрация и эмитирующая способность плазмы, разлетающейся по магнитным силовым линиям, спадают пропорционально величине магнитного поля. Экспериментально продемонстрирована возможность формирования пучка ионов, экстрагированных из плотной плазмы ЭЦР разряда, максимальный полный ток пучка составил 0.45 л мА, плотность тока в зоне экстракции составляла до 60 мА/см , а нормализованный эмиттанс такого пучка был не более 0.25 я-мм-мрад. По сравнению с другими ЭЦР источниками МЗИ полный ток пучка в нашем случае находится на приблизительно том же уровне, а за счет более плотной плазмы и меньшего отверстия в плазменном электроде, эмиттанс оказывается в несколько раз меньше. Кроме того, в нашем случае имеется возможность повышения эмитирующей способности плазмы путем установки экстрактора ближе к пробке магнитного поля, что с повышением напряжения экстракции позволит продвинуться в область больших токов ионного пучка при сохранении эмиттанса в области рекордно малых значений.

Материалы изложенные во второй главе опубликованы в [1А-4А,6А,8А,10А

19А].

В третьей главе диссертации описаны эксперименты по формированию МЗИ тяжелых металлов при инжекции плазмы вакуумно-дугового разряда в магнитную ловушку.

В разделе 3.1 описываются основные идеи интеграции вакуумно-дугового плазмогенератора и ЭЦР источника МЗИ, описывается современное состояние исследований в данном направлении.

В разделе 3.2 приводится описание устройства и работы миниатюрного плазмогенератора, описываются проблемы и решения, связанные с интеграцией плазмогенератора и ЭЦР источника МЗИ. В частности, для решения этой задачи потребовалась разработка новой системы ввода СВЧ энергии в плазму. Эта система позволяла с одного торца магнитной ловушки одновременно осуществлять квазипродольный (по отношению к магнитному полю ловушки) ввод микроволнового излучения в плазму со стороны большего магнитного поля, инжектировать металлическую плазму в ловушку по линиям магнитного поля, изолировать входное СВЧ окно от плазмы, значительно снизив, таким образом, его распыление и загрязнение, увеличить в несколько раз плотность потока энергии волны накачки в фокальной перетяжке за счет большего угла сходимости пучка.

По временным задержкам между импульсом тока вакуумно-дугового разряда и импульсом тока коллектора цилиндра Фарадея, регистрирующего ионы, пролетевшие сквозь магнитную ловушку, были измерены времена и скорости пролета ионов сквозь магнитную ловушку, а по величине этого тока была определена концентрация плазмы вакуумной дуги, заполняющей магнитную ловушку. Оказалось, что при рабочих значениях величины магнитного поля установки средняя скорость ионов составляет (для платины) VPt « 1.5-106 см/с. Время взаимодействия ионов с горячими электронами в ловушке составляет т; = Ltrap/Vpt «15 мкс, где Ltrap = 27 см - длина ловушки. В то же время, концентрация плазмы может регулироваться в широких пределах. Если считать оптимальной концентрацией критическую («2-1013 см"3) для нашей частоты накачки, то параметр

8 3 удержания Ne-Tj « 3-10 см" с. Такой параметр удержания ионов позволяет надеяться на существенную дополнительную ионизацию металлических ионов.

В разделе 3.3 описываются эксперименты по дополнительной ионизации ионов металлов плазмы вакуумно-дугового разряда в магнитной ловушке с нагревом электронов излучением гиротрона в условиях ЭЦР. Эксперименты проводились как с легкоплавким (свинец) катодом, так и с тугоплавким (платина). Было показано, что для получения максимального среднего заряда металлических ионов необходимо уменьшать ток вакуумно-дугового разряда до минимально возможного значения (50 ампер для свинцового катода и 80 ампер для платины), увеличивать напряженность магнитного поля ловушки до максимально возможной величины, подбирать оптимальную СВЧ мощность (около 60 кВт). Максимальный средний заряд ионов свинца составил 5.5, зарегистрированы ионы с кратностями ионизации от 3+ до 7+. Для ионов платины величина среднего заряда составила 4.5, на спектре видны ионы от 3+ до 6+. Оценки показывают, что при таких значениях тока вакуумной дуги концентрация плазмы внутри ловушки с учетом многократной ионизации и примесей может превосходить критическое для частоты греющего поля значение. Поэтому увеличение потока плазмы вакуумной дуги приводит к ухудшению условий нагрева электронов из-за рефракции. Увеличение мощности СВЧ накачки приводит, с одной стороны, к увеличению температуры электронов и улучшает тем самым условия образования МЗИ. Но, с другой стороны, это приводит к тому, что разряд начинает развиваться во все более удаленных от оси частях магнитной ловушки, что в свою очередь приводит к сильному возрастанию концентрации плазмы за счет примесей, десорбированных со стенок вакуумной камеры и захваченных из остаточного газа, и, следовательно, удельный энерговклад в плазму падает. По-видимому, это объясняет полученный в эксперименте оптимум по мощности СВЧ излучения.

Кроме того, в разделе 3.3 также приводятся результаты исследований, направленных на увеличение времени пролета ионов вакуумно-дугового разряда сквозь магнитную ловушку. Экспериментально показано, что удлинение ловушки приводит к увеличению времени пролета ионов и сдвигает распределение ионов по кратностям ионизации в сторону больших зарядов. В удлиненной магнитной ловушке (53 см против 27 см) удалось достичь более высокого среднего заряда ионов платины. По сравнению с короткой ловушкой средний заряд увеличился в 1.3 раза и составил 6. На спектре отчетливо виден значительный сигнал иона Pt7+.

13 3

Достигнутое значение параметра удержания в эксперименте Netj = 210 см"

8 3 1

• 15 мкс = 310 см" с", приблизительно соответствует максимальному среднему заряду ионов, полученному в расчетах [8, 17]. Плотность тока ионного пучка, который можно было бы извлечь из такой плазмы, составляет Je = e-Ne Vpt ~ 4 еА/см . На данный момент нам неизвестны другие примеры получения многозарядных ионов тугоплавких металлов с большим током ионов.

Материалы изложенные в третьей главе опубликованы в [5А,7А,9А,20А].

В Заключении сформулированы основные научные результаты, полученные в диссертационной работе.

Положения выносимые на защиту

1. Использование плотной плазмы ЭЦР разряда, поддерживаемого с помощью излучения миллиметрового диапазона большой мощности, позволяет формировать пучки многозарядных ионов с высоким током и рекордно низким эмиттансом.

2. Дополнительный ЭЦР нагрев электронов плазмы вакуумно-дугового разряда в магнитной ловушке микроволновым излучением позволил повысить кратность ионизации ионов тугоплавких металлов в несколько раз.

Заключение диссертации по теме «Физика плазмы», Водопьянов, Александр Валентинович

Заключение

Полученные в диссертационной работе основные научные результаты заключаются в следующем.

1. Экспериментально исследованы пространственно-временные характеристики ЭЦР разряда в прямой магнитной ловушке. Найдены оптимальные для образования ионов с наивысшим средним зарядом режимы его горения. Обнаружено, что в развитии разряда можно выделить две стадии с существенно различными параметрами. Первая стадия характеризуется высокой температурой электронов, относительно низкой плотностью плазмы, высоким средним зарядом ионов напускаемого газа. На второй стадии температура и средний заряд ионов существенно ниже, преобладают ионы примесей, а плотность плазмы существенно возрастает. Показано, что резкий переход от первой стадии ко второй, связан с поступлением газа с торцевых стенок вакуумной камеры под действием потока плазмы, вытекающей из ловушки, предложена численная модель такого перехода.

2. Исследована возможность извлечения сильноточного ионного пучка из плотной плазмы ЭЦР разряда. С помощью двухэлектродной системы экстракции пирсовой геометрии получен пучок ионов с током 0.5 мА, и нормализованным эмиттансом менее 0.25 я мм мрад. Ток пучка сравним с лучшими мировыми достижениями, а эмиттанс в несколько раз меньше.

3. Предложена и реализована система одновременного ввода электромагнитного излучения и плазмы в магнитную ловушку вдоль её оси. Система позволяет осуществлять квазиоптический ввод миллиметровых волн в плазму со стороны J сильного магнитного поля с плотностью потока энергии на уровне 100 кВт/см и инжектировать металлическую или газоразрядную плазму вдоль силовых линий магнитного поля.

4. Впервые продемонстрирована возможность дополнительной ионизации ионов металлов плазмы вакуумной дуги, инжектируемой в магнитную ловушку, за счет ЭЦР нагрева электронов плазмы СВЧ излучением. Использование в экспериментах мощного коротковолнового электромагнитного излучения гиротронов позволило работать с большой (порядка 1013 см"3) концентрацией плазмы и обеспечить многократную дополнительную ионизацию. Эффект повышения кратности ионизации продемонстрирован как для легкоплавкого (свинец), так и для тугоплавкого (платина) материалов. При оптимальных параметрах эксперимента получен пучок металлических ионов со средним зарядом +6.

Установлено, что время удержания плазмы вакуумно-дугового разряда, инжектируемой в прямую магнитную ловушку, определяется пролетом ионов

13 3 вдоль оси системы. При плотности плазмы в ЭЦР разряде более 10 см" этого времени достаточно для дополнительной многократной ионизации ионов. Исследованы характеристики заполнения магнитной ловушки плазмой при различных конфигурациях магнитного поля.

Разработан диагностический комплекс, позволяющий на основе автоматической бесконтактной регистрации спектров объемного тормозного излучения, исследовать с временным разрешением температуру и плотность плазмы ЭЦР разряда, в частности, прослежена динамика бимаксвелловской функции распределения электронов по скоростям.

Список публикаций по теме диссертации

1А] A.V. Vodopyanov, S.V. Golubev, S.V. Razin, V.G. Zorin. Formation of Multicharged Ions in Plasma of ECR Discharge Sustained by Powerful Millimeter Wave Radiation in a Mirror Trap. // Transactions of Fusion Technology, v. 35 (1999) IT, p. 288 - 291. [2A] A.B. Водопьянов. C.B. Голубев, В.Г. Зорин, С.В. Разин, М.А. Шилов. Параметры плазмы электронно-циклотронного резонансного разряда в открытой магнитной ловушке в квазигазодинамическом режиме удержания. // Письма в ЖТФ. т. 25 (1999) в. 14, с. 90-94. [ЗА] S.V. Golubev, S.V. Razin, V.E. Semenov, A. N. Smirnov, A.V. Vodopyanov, V.G. Zorin. Formation of multi-charged ions and plasma stability at quasi-gasdynamic plasma confinement in a mirror magnetic trap. // Review of Scientific Instruments, v. 71 (2000) N. 2, pt. 2, p. 669 - 671. [4A] 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. High current density production of multicharged ions with ECR plasma heated by gyrotron transmitter. // Review of Scientific Instruments. V73. (2002) N2. 528-530

5A] A.B. Визирь, А.В.Водопьянов, C.B. Голубев, В.Г. Зорин, С.В. Разин, А.Г. Николаев, Е.М. Оке, Г.Ю. Юшков. Дополнительная ионизация ионов металлов плазмы вакуумно-дугового разряда в магнитной ловушке с нагревом электронов в условиях ЭЦ резонанса. Препринт № 622, Институт Прикладной Физики РАН, Нижний Новгород, 2003. [6А] А.В.Водопьянов, С.В. Голубев, В.Г. Зорин, С.В. Разин, В.М. Муругов, А.В. Сеник, А.Г. Кравченко, Д.Н. Литвин, В.В. Мисько, С.И. Петров. Влияние газовыделения со стенок вакуумной камеры на динамику ЭЦР разряда в магнитной ловушке. // Радиофизика, т. 46, № 8-9, 2003, с. 830-835. [7А] А.V.Vodopyanov, S.V. Golubev, S.V. Razin, V.G. Zorin, A.V. Vizir, A.G. Nikolaev, E.M. Oks, G.Yu. Yushkov. Multiple ionization of metal ions by ECR heating of electrons in vacuum arc plasmas. // Review of Scientific Instruments, v. 75, p. 1888. 2004.

8А] V.G. Zorin, S.V. Golubev, A.V. Sidorov, V.A. Skalyga, A.V.Vodopyanov, S.V. Razin. High Current Density Ion Beam Formation from Plasma of ECR Discharge. // Review of Scientific Instruments, v. 75, p. 1675. 2004. [9A] A.B. Водопьянов, C.B. Голубев, Д.А. Мансфельд, А.Г. Николаев, Е.М. Оке, С.В. Разин, К.П. Савкин, Г.Ю. Юшков. Генерация многозарядных ионов тугоплавких металлов в ЭЦР разряде в прямой магнитной ловушке // Журнал технической физики, том 75, вып. 9, стр 101. 2005. [10А] A.V.Vodopyanov, S.V.Golubev, S.V.Razin, V.G.Zorin, M.A.Shilov. Parameters of a plasma of electron cyclotron discharge in an open magnetic trap in a quasi-gasdynamic regime of confinement. // Proc. Int. University Conf. "Electronics and Radiophysics of Ultra-High Frequencies". (Russia, St.Petersburg, May, 1999). P. 481-483.

11 A] S.V. Golubev, S.V. Razin, V.E. Semenov, A.N. Smirnov, A.V. Vodopyanov, V.G. Zorin. Features of quasi-gasdynmic plasma confinement in ECR ion source with powerful microwave pumping. // Proc. Int. University Conf. "Electronics and Radiophysics of Ultra-High Frequencies". (Russia, St.Petersburg, May, 1999). P. 451-454.

12A] S.V. Golubev, S.V. Razin, V.E. Semenov, A.N. Smirnov, A.V. Vodopyanov, and V.G. Zorin. Formation of Multicharged Ions at Quasi-Gasdynamic Plasma Confinement in a Mirror Trap. // Proc. 14th International Workshop on ECR Ion Sources "ECRIS99" CERN, Geneva, Switzerland; May 3-6, 1999. P. 195-197. [13A] S.V. Golubev, S.V. Razin, V.E. Semenov, A.N. Smirnov, A.V. Vodopyanov, V.G. Zorin. Sources of Soft X-rays and Multicharged Ions Based on ECR Discharge in Heavy Gases Sustained by High-Power Gyrotron Radiation. // Proc. Int. Workshop on Strong Microwaves in Plasmas. Nizhny Novgorod, 2000. V. 1. P. 347-355. [14A] S.V. Golubev, S.V. Razin, A.N. Smirnov, A.V. Vodopyanov, and V.G. Zorin. High Current Ion Source Based on ECR Discharge Sustained by Powerful Millimeter Wave Radiation. // Proc. 13th Conference on High-Power Particle Beams "Beams 2000". Nagaoka, Japan. 2000. V. 1. P. 155-157. [15A] S.V. Golubev, S.V. Razin, A.N. Smirnov, S.N. Vdovichev, A.V. Vodopyanov, and V.G. Zorin. Formation of Multicharged Ions in ECR Discharge with High Plasma

Density. // Proc. Workshop on "Production of Intense Beam of Highly charged Ions" Catania, Italy, 2000. P. 3. [16A] 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. Recent Developments in ECR Ion Sources at ISN Grenoble. // Proc. Int. conference on Cyclotrons and there Applications. Michigan, May 2001. [17A] Golubev S.V., Razin S.V., Skalyga V.A., Vodopyanov A.V., Zorin V.G., Sortais P., Lamy T. Applications of dense plasma of ECR discharge sustained by powerful millimeter wave radiation. // Proceedings of 12th Joint Workshop on Electron Cyclotron Emission and Electron Cyclotron Resonance Heating. Aix-en-Provence. France. 2002. P. 353-358 [18A] S. Golubev, D. Mansfeld, S. Razin, V. Skalyga, A. Vodopyanov, V. Zorin, R. Geller, T. Lamy, P. Sortais, T. Thuillier, V. Murugov, A. Senik, A. Kravchenko, D. Litvin, V. Misko, S. Petrov, Progress Report Of Investigations On Gyrotron ECR Ion Source Smis 37.// Proc. 15-th Int. Workshop on ECR Ion Sources, ECRIS-02. - Finland: University of Jyvaskyla, 2002. P. 21-24. [19A] S. Golubev, D. Mansfeld, S. Razin, V. Skalyga, A. Vodopyanov, V. Zorin, V. Murugov, A. Senik, A. Kravchenko, D. Litvin, V. Misko, S. Petrov, R. Geller, T. Lamy, P. Sortais, T. Thuillier. ECR Ion Sources: Recent Developments. Proceedings of the 5-th International Workshop "Strong Microwaves in Plasmas'". Ed. by A.G. Litvak. Nizhny Novgorod, Russia, 2003, V. 2, p. 618-630. [20A] A.V. Vodopyanov, S.V. Golubev, V.G. Zorin, S.V. Razin, A.V. Vizir, A.G. Nikolaev, E.M. Oks, G.Yu. Yushkov. Multiple ionization of metal ions by ECR heating of electrons in vacuum arc plasmas // AIP conference proceedings V. 749. P. 116. (2005).

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Водопьянов, Александр Валентинович, 2005 год

1. Hirvonen J. К., Nastasi M., Hirvonen James К., Mayer James W. 1.n-solid Interactions: Fundamentals And Applications. Cambridge Univ. Pr. 1996.

2. Rabalais J. W„ Al-Bayati A. H., Boyd K. J., Marton D., Kulik J., Zhang Z„ and Chu W. K. Ion-energy effects in silicon ion-beam epitaxy. // Physical Review В. V. 53. P. 10781. 1996.

3. Muramatsu M., Kitagawa A., Sato S., Sato Y., Yamada S., Hattori Т., and Shibuya S. Development of the compact electron cyclotron resonance ion source for heavy-ion therapy. // Review of Scientific Instruments. V. 71. P. 984-986. 2000.

4. Габович М.Д., Плешивцев H.B., Семашко H.H. Пучки ионов и атомов для УТС и технологических целей. М.: Энергоатомиздат, 1986.

5. Kwan J.W. High current injectors for heavy ion driven inertial fusion. // Review of Scientific Instruments. V. 71. P. 807-809. 2000.

6. Oganessian Yu.Ts., Utyonkov V.K., Lobanov Yu.V., Abdullin F.Sh., Polyakov

7. A.N., Shirokovsky I.V., Tsyganov Yu.S., Gulbekian G.G., Bogomolov S.L., Gikal

8. Физика и технология источников ионов. // Под ред. Я. Брауна. М.: Мир. 1998. 495 С.

9. Geller R. Electron cyclotron resonance ion sources and ECR plasmas. Institute of Physics. Bristol. 1996.

10. E. D. Donets. Electron beam ion sources and their development at JINR. // Review of Scientific Instruments. V. 61. P. 225-229. 1990.

11. J. A. Bykovsky. Laser-plasma ion sources. // Review of Scientific Instruments. V. 63. P. 2788. 1992.

12. Geller R. ECRIS closing remarks. // Journal de Physique. Colloque CI. Suppl. N 1. V. 50. P. 887-892. 1989.

13. Geller R., Jacquot В., Sortais P. The upgrading of the multiply charged heavy-ion source Minimafios. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. V. A243.P. 244-254. 1986.

14. Быков Ю.В., Еремеев А.Г., Голубев С.В., Зорин В.Г. ЭЦР разряд, поддерживаемый излучением миллиметрового диапазона длин волн. // Физика плазмы. Т. 16. Вып. 4. С. 487-489. 1990.

15. Cavenago М., Kulevoy Т., Petrenko S. Operation of rf ovens in ECR ion sources. // Review of Scientific Instruments. V. 75. P. 1446-1448. 2004.

16. Месяц Г.А., Баренгольц С.А. Механизм генерации аномальных ионов вакуумной дуги. // Успехи физических наук. 2002. Т. 172. С. 1113-1130.

17. Голованивский К.С. Зеркальная магнитная ловушка с электронно-циклотронным нагревом плазмы как источник многозарядных ионов (обзор). // Приборы и техника эксперимента. 1985. № 5. С. 7-26.

18. В.И. Белоусов, М.И. Офицеров, В.Ю. Плахотник, Ю.В. Родин, Калориметр для измерения полной энергии импульсных мощных приборов миллиметрового диапазона. // Приборы и техника эксперимента, 1993, № 3, с. 93-97.

19. Booske J.H., Getty W.D., Gildenbach R.M., Jong R.A., Experiments on whistler mode electron-cyclotron resonance plasma startup and heating in an axisymmetric magnetic mirror//Fhys. Fluids 1985, V.28, No. 10, pp. 3116-3126.

20. Голубев C.B., Зорин В.Г., Плотников И.В., Разин С.В., Суворов Е.В., Токман М.Д. ЭЦР-пробой разреженного газа в прямой магнитной ловушке при продольном вводе СВЧ-излучения. // Физика плазмы. 1996. Т. 22. № 11. С. 1007-1011.

21. Диагностика плазмы. // Под ред. Р. Хаддлстоуна и С. Леонарда. М.: Мир. 1967.515 С.

22. Пресняков Л.П., Шевелько В.П., Янев Р.К. Элементарные процессы с участием многозарядных ионов. // М.: Энергоатомиздат. 1986. 200 С.

23. Вайнштейн Л.А., Шевелько В.П. Ионизация многозарядных ионов электронами. // Труды ФИАН. 1987. Т. 179. С. 95-102.

24. Kato Y., Ishii S. Multiple-ionization effect on charge-state distribution in ECR source. // Journal of the Physical Society of Japan. 1995. V. 64. N. l.P. 114-123.

25. Teng H., Xu Z. Contribution of excitation autoionization to the electron-impact ionization of Ar7+. // Physical Review A. 1996. V. 54. N. 1. P. 444-448.

26. Geller R. Electron cyclotron resonance sources: Historical review and future prospects // Review of Scientific Instrumtnts. 1998. V. 69, № 3. P. 1302-1310.

27. Sortais P. General review of recent developments for electron cyclotron resonance ion sources. // Review of Scientific Instruments. 1996. V. 67. N. 3. P. 867-872.

28. Кадомцев Б.Б. Коллективные явления в плазме. // М.: Наука. 1988. 304 С.

29. Трубников Б.А. Теория плазмы. // М.: Энергоатомиздат. 1996. 463 С.

30. Melin G., Drentje A.G., Girard A., Hitz D. Ion behavior and gas mixing in electron cyclotron resonance plasmas as sources of highly charged ions. // Journal of Applied Physics. 1999. V. 86. N. 9. P. 4772-4779.

31. Girard A., Serebrennikov K., Lecot C. The role of the frequency in ECR ion sources. // Proceedings of the Workshop on the Production of Intense Beams of Highly Charged Ions PIBHI-2000. Catania. Italy. 2000. P. 141-146.

32. Пастухов В.П. Классические продольные потери плазмы в открытых адиабатических ловушках. // Вопросы Теории Плазмы. Вып. 13. М.: Энергоатомиздат. 1984. С. 160-204.

33. А. V. Turlapov, V. Е. Semenov, "Confinement of a Mirror Plasma with Anisotropic Electron Distribution Function", Physical Review E, V. 57 , p. 5937 (1998).

34. V. Semenov, V. Skalyga, A.Smirnov, V.Zorin. Scaling for ECR sources of multicharged ions with pumping at frequencies from 10 to 100 GHz // Review of Scientific Instruments. 2002. V. 73. N. 2. P. 635.

35. D. Hitz, A. Girard, G. Melin, S. Gammino, G. Ciavola, and L. Celona. Results and interpretation of high frequency experiments at 28 GHz in ECR ion sources, future prospects. // Review of Scientific Instruments. 2002. V. 73. P. 509.

36. 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, and V. G. Zorin. // Review of Scientific Instruments. 2002. V. 73. P. 528.

37. И.М. Подгорный. Лекции по диагностике пламы. // М. Атомиздат. 1968. 219 с.

38. Booske J.H., Aldabe F.A., Ellis R.F., Getty W.D. Modeling of an electron cyclotron resonance heated mirror plasma for highly charged ion and soft x-ray sources. // Journal of Applied Physics. 1988. V. 64. N. 3. P. 1055-1067.

39. Демехов А.Г., Ерёмин Б.Г., Костров A.B., Суворов Е.В., Фрайман А.А., Чеканов А.Л., Шагиев Ю.М. Исследование плазмы, создаваемой в прямой магнитной ловушке при циклотронном СВЧ пробое. // Препринт № 146 ИПФ АН СССР. Горький. 1986. 39 С.

40. Голант В.Е., Жилинский А.П., Сахаров И.Е. "Основы физики плазмы". М.: Атомиздат, 1977.

41. Lennon М.А., Bell Н.В., Gilbody Н.В. et. al. Recommended data on the electron impact ionization of atoms and ions: fluorine to nickel. // Journal of Physical and Chemical Reference Data. 1988. V. 17. N. 3. P. 1285-1363.

42. Айнбунд M.P., Поленов Б.В. Вторично-электронные умножители открытого типа и их применение. // М.: Энергоиздат. 1981. 139 С.

43. Кролл Н., Трайвелпис А. Основы физики плазмы. // М.: Мир. 1975. 525 С.

44. Чен Ф. Введение в физику плазмы. // М.: Мир. 1987. 398 С.

45. Huba J.D. NRL plasma formulary. // Washington. 1994. 65 P.

46. Рютов Д.Д. Открытые ловушки. // Успехи Физических Наук. 1988. Т. 154. Вып. 4. С. 565-614.

47. Г. Бейтман. МГД-неустойчивости. // М. Энергоиздат, 1982. 200 с.

48. A. Girard, D. Hitz, and G. Melin К. Serebrennikov. Electron cyclotron resonance plasmas and electron cyclotron resonance ion sources: Physics and technology. // Review of Scientific Instruments. 2004. V. 75. P. 1381.

49. Суворов Е.В., Токман М.Д. К теории СВЧ пробоя разреженного газа в адиабатической магнитной ловушке при электронно-циклотронном резонансе. // Физика плазмы. 1989. Т. 15. Вып. 8. С. 934-943.

50. Мартыненко Ю.В. Взаимодействие плазмы с поверхностями // Итоги науки и техники. "Физика плазмы". 1982. Т. 3. С. 119.

51. Багрянский П.А., Бендер Е.Д., Иванов А.А., Карпушов А.Н., Коллатц С., Краль С., Ноак К., Мурахтин С.В. Влияние свойств первой стенки на перенос нейтральных частиц в ГДЛ // Физика плазмы. 1997. Т. 23. № 11. С. 979.

52. Мирнов С.В. Физические процессы в плазме токамака // М.: Энергоатомиздат. 1983.

53. Семашко Н.Н., Владимиров A.M., Кузнецов В.В., Кулыгии В.М., Панасенков А. А. Инжекторы быстрых атомов водорода. М,: Энергоатомиздат, 1981.

54. Oks Е.М. Generation of multiply charged ions in vacuum arc plasmas // IEEE Transaction on Plasma Science. 2002. V. 30, № 1. P. 202-207.

55. Cavenago M., Kulevoy Т., Vassiliev A. Propagation of metal vapor vacuum arc ions in electron cyclotron resonance ion sources // Review of Scientific Instruments. 1998. V. 69, P. 795.

56. Spadtke P. GSI-Darmstadt. He опубликовано.

57. Anders A., Yushkov G.Yu. Ion flux from vacuum arc cathode spots in the absence and presence of a magnetic field // Journal of Applied Physics. 2002. V. 91, № 8. P. 4824-4832.

58. Гинзбург В.Л. Распространение электромагнитных волн в плазме. // М.: Наука. 1967. 683 С.

59. Yushkov G.Yu., Anders A. Effect of pulse repetition rate on the composition and ion charge-state distribution of pulsed vacuum arc // IEEE Transactions on Plasma Science. 1998. V. 26. № 2. P. 220-226.