WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 || 4 |

В разделе 3.1.1 описываются эксперименты с простой магнитной ловушкой, демонстрирующие наличие периодических выбросов плазмы как целого на стенки вакуумной камеры. Исследования проводились с помощью регистрации динамики свечения плазмы в оптическом диапазоне. Данные эксперименты позволили получить информацию о развитии разряда и об изменяющейся форме плазменного образования. Наблюдение за разрядом осуществлялось вдоль направления, перпендикулярного оси системы. Исследование динамики свечения плазмы проводилось в режиме временной развёртки изображения. Представлены типичные фотохронограммы. Анализ полученных пространственно-временных характеристик свечения разряда и осциллограмм полного тока экстракции и пучка ионов показывает, что светящаяся плазма в течение некоторого времени (в зависимости от условий эксперимента до 150 мкс) располагается на оси магнитной системы в центре камеры и имеет диаметр около 1 см, а затем быстро (в течение примерно десяти микросекунд) смещается на периферию. При этом ток многозарядных ионов резко падает. Оценки инкремента развития желобковой МГД неустойчивости для структуры магнитного поля, соответствующей условиям эксперимента, для сильнонеравновесной плазмы Te >> Ti совпадают с характерными временами ухода плазмы на стенки камеры, полученные в эксперименте. Этот факт подтверждает, что наблюдаемая нестабильность плазменного шнура есть следствие развития в плазме МГД неустойчивостей.

В разделе 3.1.2 более подробно описываются достоинства и недостатки ловушки со встречными полями. Обсуждаются возможности минимизации роли недостатков данной конфигурации магнитной ловушки.

В ловушке касп магнитное поле нарастает от центра системы к периферии (конфигурация магнитного поля с «min B»), что обеспечивает МГД устойчивость системы. При достаточно высоких магнитных полях возможно, как и в классических источниках МЗИ с «минимумом B», создание замкнутой поверхности ЭЦР, не касающейся стенок вакуумной камеры. Основным недостатком каспа являются потери плазмы в радиальном направлении из центральной части ловушки. Однако они могут быть скомпенсированы большей мощностью СВЧ накачки, что при наличии современных гиротронов не составляет труда.

В рассматриваемом разделе приводятся результаты первых экспериментов с ловушкой со встречными полями, собранной на базе разрядной камеры и катушек магнитного поля, использовавшихся для создания простой магнитной ловушки. Продемонстрирована стабильность тока экстрагируемого ионного пучка в случае использования каспа. Приведены осциллограммы токов пучка, полученные при одинаковых условиях эксперимента, за исключением направления тока в одной из катушек, в случаях каспа и простого пробкотрона. Из сравнения осциллограмм хорошо видно отсутствие неустойчивостей при использовании каспа.

Таким образом, на этом этапе была показана возможность поддержания ЭЦР разряда в ловушке со встречными полями, определена величина полного тока экстрагируемого из такой системы ионного пучка, продемонстрировано наличие МЗИ в плазме разряда, наглядно продемонстрирована стабильность плазмы в каспе.

В разделе 3.2 приводятся результаты численных оценок возможности генерации МЗИ в ловушке со встречными полями с накачкой излучением миллиметрового диапазона длин волн, выполненных на основе теоретической модели, описанной в разделе 1.3. Расчеты, описываемые в разделе, проводились для параметров СВЧ накачки и магнитной системы, соответствующих условиям экспериментального стенда SMIS 37. Представленные результаты численного моделирования позволяют рассчитывать на экспериментальную демонстрацию эффективной генерации МЗИ (со средним зарядом 2-3, для разряда в азоте) в такой системе в условиях стенда SMIS 37 и получение высокой плотности тока экстрагируемого ионного пучка, более чем на порядок превосходящей соответствующую величину для классических источников МЗИ.

В разделе 3.3 приведены результаты экспериментальных исследований характеристик ЭЦР источника МЗИ на основе ловушки со встречными полями с накачкой СВЧ излучением гиротрона с частотой 37,5 ГГц и мощностью 100 кВт.

В разделе 3.3.1 описаны эксперименты, направленные на поиск оптимальных условий экстракции ионов из плазмы ЭЦР разряда. Были измерены токи ионов, попавших на коллектор цилиндра Фарадея и на пуллер. Эксперименты показали, что данные токи были очень стабильными, колебания их величины в течение импульса не превышали 3-5 % от их среднего значения, кроме того осциллограммы токов имели высокую повторяемость от выстрела к выстрелу. Были получены зависимости токов на цилиндр Фарадея и пуллер от напряжения экстракции при различных расстояниях от пробки магнитной ловушки до системы экстракции. Максимальная плотность полного тока ионного пучка, измеренного цилиндром Фарадея, в проведенных экспериментах достигала величин порядка 650 мА/см2. Отметим, что плотность тока пучка в случае классических источников многозарядных ионов минимум на порядок ниже.

Для определения качества ионного пучка при напряжении экстракции 30 кВ были проведены измерения его эмиттанса в плоскости, расположенной на расстоянии 10 см от выхода системы экстракции. Эксперименты проводились в условиях, когда в качестве рабочего газа использовался азот. Эмиттанс измерялся известным методом с помощью отверстия малого диаметра [26]. Измерения показали, что нормализованные эмиттансы в горизонтальной и вертикальной плоскостях равны соответственно хн = 0,19 и ун = 0,15 мммрад, что на сегодняшний день соответствует лучшим достижениям для ЭЦР источников МЗИ.

Результаты измерений тока и эмиттанса экстрагируемого ионного пучка из плотной плазмы ЭЦР разряда, удерживаемой в ловушке со встречными полями, и поддерживаемой мощным СВЧ излучением с частотой 37,5 ГГц, в совокупности определяют яркость полученного пучка. Большая величина тока при высоком эмиттансе обеспечивает рекордную на сегодняшний день яркость полученного пучка для ЭЦР источников многозарядных ионов, на порядок превосходящую лучшие мировые результаты [27, 28].

В разделе 3.3.2 были проведены исследования состава ионного пучка. Эксперименты проводились для различных сортов рабочих газов, таких как гелий, азот, аргон и ксенон. Полученные результаты демонстрируют стабильность токов различных ионов. Максимальная зарядность ионов, полученная в экспериментах с азотом, составила +3, с аргоном и ксеноном достигала +6.

Для наглядной демонстрации реализации в экспериментах именно квазигазодинамического режима удержания плазмы были проведены исследования с более тяжелыми газами и различными эффективными длинами ловушек. Было показано, что средний заряд ионов в пучках значительно превышает единицу, и оказывается тем выше, чем больше масса рабочего газа. Для определения зависимости среднего заряда ионов от длины магнитной ловушки были проведены измерения параметров плазмы при различных ее значениях. Продемонстрировано повышение среднего заряда ионов в экстрагируемом пучке за счет повышения их времени жизни в ловушке, которое в случае квазигазодинамического режима пропорционально эффективной длине ловушки.

Таким образом, полученные результаты наглядно демонстрируют факт реализации именно квазигазодинамического режима удержания плазмы в ловушке со встречными полями в ходе проведенных экспериментов. Представленные зависимости подтверждают перспективность использования таких ловушек с большими эффективными длинами и высокой частотой СВЧ накачки для создания сильноточных ЭЦР источников многозарядных ионов тяжелых элементов с высокой яркостью экстрагируемого пучка.

В разделе 3.3.3 исследуется возможность повышения тока иона с максимальной полученной в эксперименте зарядностью. Анализ проводился в случае, когда в качестве рабочего газа использовался азот, т.е. исследовалось поведение тока иона N3+. Приведены зависимости тока иона N3+ от напряжения экстракции, СВЧ мощности, вводимой в разрядную камеру, и плотности нейтрального газа в ловушке к моменту начала СВЧ импульса.

Растущая зависимость ионного тока от напряжения свидетельствует об уменьшение угла расходимости ионного пучка при увеличении напряжения экстракции.

Полученная зависимость от мощности СВЧ накачки насыщается в области больших мощностей, что подтверждает тот факт, что температура электронов в эксперименте была близка к оптимальной для использовавшейся конфигурации магнитной ловушки.

Зависимость тока ионов от давления нейтрального газа в разрядной камере имеет ярко выраженный максимум. Когда к моменту СВЧ импульса гиротрона в ловушку поступает небольшое количество нейтрального газа, создается плазма небольшой концентрации, что существенно снижает количество эффективных ионизирующих столкновений за время жизни. С ростом концентрации эффективность ионизации при квазигазодинамическом режиме удержания растет, что и приводит к росту тока иона N3+. В случае же больших напусков газа концентрация плазмы может превышать критическое значение. В этом случае существенным будет влияние рефракции, за счет которой большая часть СВЧ энергии не будет доходить до зоны ЭЦР, что снижает эффективность поглощения, приводит к понижению температуры электронов и как следствие существенно снижает средний заряд ионов в плазме.

В разделе 3.4 обсуждаются полученные в главе 3 результы. Приводится ряд общих выводов, предлагаются варианты развития ЭЦР источников на базе ловушки со встречными полями.

В разделе 3.4.1 формулируются законы подобия для газодинамических ЭЦР источников. На основе теоретических и экспериментальных результатов предлагаются качественные зависимости эффективности ионизации частиц в ловушке источника от частоты СВЧ накачки и длины ловушки. Показано, что параметр удержания плазмы пропорционален квадрату частоты СВЧ накачки и линейно растет с увеличением длины ловушки. Также приводятся рассчитанные с помощью теоретической модели, описанной в разделе 1.3, зависимости среднего заряда ионов от мощности и частоты накачки в широком их диапазоне при разных значениях длины ловушки. Из приведенных результатов наглядно видна перспективность использования газодинамических ЭЦР источников с высокой частотой СВЧ накачки, построенных на основе МГД-стабильных осесимметричных магнитных ловушек для генерации пучков ионов с высоким током и очень высокой яркостью.

В разделе 3.4.2 рассматриваются возможные перспективы развития газодинамических ЭЦР источников на базе ловушки со встречными полями. Приведен расчет эффективности формирования многозарядных ионов азота в ЭЦР источнике с применением гиротрона с частой изучения 75 ГГц и плотностью потока энергии в СВЧ пучке до 100 кВт/см2, который планируется использовать на стенде SMIS 75. Такой гиротрон позволит создавать и поддерживать плазму с плотностью 61013 см-3, температурой электронов не ниже 100 эВ. При этом величина параметра удержания достигнет 109 ссм-3 и более. Максимум распределения ионов азота по кратностям ионизации будет находиться на ионах с кратностями ионизации +3 и +4. Отмечается, что ловушка касп позволяет одновременно использовать несколько экстрагирующих систем, расположенных вдоль радиальной пробки и, следовательно, получать много ионных пучков на одном источнике, что выглядит привлекательным для технологии.

В разделе 3.5 делается заключение по результатам, представленным в главе 3, в которой экспериментально продемонстрирована возможность создания ЭЦР источника МЗИ с высоким током на основе ловушки касп в условиях мощного нагрева импульсным излучением гиротрона миллиметрового диапазона длин волн. Впервые реализован квазигазодинамический режим удержания многокомпонентной плазмы в ловушке ЭЦР источника МЗИ с касповой конфигурацией магнитного поля.

В главе 4 описываются исследования, посвященные проблеме быстрого пробоя газа в ловушке ЭЦР источника. Целью данных исследований являлась разработка короткоимпульсного (длительность импульса менее 100 мкс) ЭЦР источника МЗИ. Приводятся результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния частоты СВЧ накачки на скорость развития разряда. Материалы, изложенные в четвертой главе, опубликованы в [5A].

В разделе 4.1 описывается постановка задачи и актуальность исследований.

Интерес к разработке короткоимпульсного ЭЦР источника многозарядных ионов связан с тем, что для реализация принятой европейской программы изучения осцилляций нейтрино «Beta Beam» [16] (в рамках проекта EURISOL) необходимо создание мощных короткоимпульсных (от 20 до 100 мкс) пучков многозарядных ионов радиоактивных изотопов гелия 6He. В связи с очень высокой стоимостью рассматриваемого изотопа гелия и ограниченной возможностью его производства источник таких ионных пучков должен быть принципиально импульсным и обеспечивать высокую эффективность использования радиоактивных частиц. Применение современных классических ЭЦР источников ионов в данном случае оказывается нецелесообразно ввиду их низкой эффективности из-за большого времени пробоя газа и выхода плотности плазмы на стационарный уровень (более миллисекунды) по сравнению с необходимой длительностью импульса.

В разделе 4.2 проводится теоретическое исследования влияния параметров СВЧ накачки на время развития пробоя газа в ловушке ЭЦР источника МЗИ. Показано, что наименьшего времени выхода параметров плазмы на стационар можно добиться при реализации квазигазодинамического режима удержания плазмы в ловушке источника. Приводятся результаты расчетов динамики ЭЦР пробоя для различных параметров накачки. Продемонстрировано существенное сокращение времени развития разряда при использовании более высоких частот и мощностей. Результаты расчетов наглядно демонстрируют перспективность использования квазигазодинамического ЭЦР источника для генерации короткоимпульсных пучков многозарядных ионов.

В разделе 4.3 описаны результаты экспериментов, направленных на уменьшение времени развития разряда в ловушке со встречными полями в условиях стенда при частоте СВЧ излучения накачки 37,5 ГГц. Представлены типичные осциллограммы тока пучка и распределения ионов гелия по кратностям ионизации в нем. Продемонстрирована возможность выхода параметров плазмы на стационарный уровень за 15 мкс в ловушке со встречными полями в условиях стенда SMIS при частоте накачки 37,5 ГГц.

Pages:     | 1 | 2 || 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»