WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. 9 04;09;10;12 Генерация многозарядных ионов тугоплавких металлов в электронно-циклотронном резонансном разряде в прямой магнитной ловушке © А.В. Водопьянов,1 С.В. Голубев,1 Д.А. Мансфельд,1 А.Г. Николаев,2 Е.М. Окс,2 С.В. Разин,1 2 К.П. Савкин,2 Г.Ю. Юшков 1 Институт прикладной физики РАН, 603950 Нижний Новгород, Россия 2 Институт сильноточной электроники СО РАН, 634055 Томск, Россия e-mail: avod@appl.sci-nnov.ru (Поступило в Редакцию 15 декабря 2004 г.) Продемонстрирована возможность дополнительной ионизации ионов тугоплавких металлов плазмы вакуумной дуги, инжектируемой в магнитную ловушку, за счет дополнительного нагрева электронов СВЧ излучением в условиях электронно-циклоронного резонанса. Использование в экспериментах мощного коротковолнового электромагнитного излучения гиротронов позволило работать с большой (порядка 1013 cm-3) концентрацией плазмы и обеспечить параметр удержания на уровне 3 · 108 cm-3 · s при достаточной для многократной ионизации температуре электронов.

Введение С точки зрения получения многозарядных ионов тугоплавких металлов необходимо обеспечить локальное Ряд задач дальнейшего развития ядерной и атомной испарение материала, которое может быть реализовано физики, таких, например, как синтез новых химических под действием мощного импульса лазерного излучеэлементов, требует вследствие высокого энергетическония [2] или при использовании вакуумного дугового го порога ядерных реакций и низкого сечения процесса разряда с катодным пятном [3]. Использование вакуумэтих реакций создания сильноточных пучков многозаного дугового разряда в данном случае представляется рядных ионов тяжелых элементов. Поскольку энергия наиболее целесообразным из-за его простоты и эффекускоренных ионов возрастает с увеличением их заряда, тивности. Источники плазмы на основе вакуумной дуги а выход ядерных реакций пропорционален току пучка могут обеспечивать генерацию пучков ионов металлов с этих ионов, то проблема синтеза новых элементов натоком до нескольких ампер как в импульсном, так и в прямую связана с развитием сильноточных источников непрерывном режиме работы [3]. Ионный состав плазмы многозарядных ионов тяжелых элементов. Использоопределяется материалом катода, который может быть вание в ионных источниках электронно-циклотронного выполнен из любого проводящего, в том числе и турезонансного (ЭЦР) разряда в магнитной ловушке позгоплавкого, материала. Средний заряд ионов в плазме волило обеспечить генерацию пучков ионов газов со такого источника составляет 1.5-2 для широкого диазначительным током и высокой средней зарядностью.

пазона материалов катода [3]. С помощью специальных Так, в работе [1] был продемонстрирован пучок Xe20+ методов, таких как наложение магнитного поля на прис током 0.6 mA.

катодную область, подача дополнительных импульсов ЭЦР источники многозарядных ионов способны обестока дугового разряда, инжекция в плазму вакуумной печить генерацию пучков ионов газа, но все элементы дуги электронного пучка, возможно повышение среднего периодической системы тяжелее ксенона в нормальных заряда ионов, однако увеличение средней зарядности условиях находятся в твердом агрегатном состоянии.

ионов происходит при этом только в 2 раза [4,5].

Тем не менее в целом ряде ЭЦР источников получеЛогичной представлется идея использования вакуумны многозарядные ионы более тяжелых элементов [1], но-дугового плазмогенератора для инжекции плазмы которые в нормальных условиях находятся в твердом тугоплавких металлов в ЭЦР источник с целью дальнейсостоянии, но обладают сравнительно низкими темпешего повышения кратности ионизации металлических ратурами плавления и кипения. При этом для ввода ионов в магнитной ловушке при нагреве электронов на нейтральных атомов в ЭЦР источник используются разэлектронно-циклотронном резонансе с волной накачки.

личные тигли, в которых рабочее вещество нагревается Ранее были предприняты попытки инжекции плази испаряется. ЭЦР пробой в этой ситуации происходит мы вакуумной дуги в разрядную систему на основе в парах металла практически так же, как и в случае работы с газами. Существенным недостатком этой схемы ЭЦР [6,7], но существенного эффекта дополнительной является трудность работы с тугоплавкими элементами обдирки ионов плазмы вакуумной дуги в этих работах (с температурами плавления более 1500 градусов). достигнуто не было. Это было связано, на наш взгляд, с 102 А.В. Водопьянов, С.В. Голубев, Д.А. Мансфельд, А.Г. Николаев, Е.М. Окс, С.В. Разин, К.П. Савкин...

тем, что параметр удержания Nei (Ne — концентрация электронов, i — время жизни ионов в ловушке), определяющий возможность образования многозарядных ионов, не достигал необходимого для многократной ионизации значения. Действительно, для нагрева плазмы в указанных работах использовались традиционные для ЭЦР источников многозарядных ионов генераторы СВЧ Рис. 1. Схема вакуумно-дугового плазмогенератора: 1 — излучения с длинами волн сантиметрового диапазона.

катод, 2 — полый анод, 3 — поджигающий электрод, 4 — Соответственно концентрация электронов Ne в этих керамический изолятор.

экспериментах не превышала 1012 cm-3 [8,9].

При инжекции плазмы вакуумной дуги в магнитную ловушку время жизни ионов в ней оказывается плазму материала катода 1, которая заполняет полый относительно невелико. Дело в том, что торможение анод 2. Катод изготовлен из платины. В качестве диплазменной струи или захват ионов вакуумно-дугового электрика использована тонкая керамическая трубка 4, разряда в магнитную ловушку является трудноразрешикоторая размещается между катодом 1 и анодом вспомой задачей и i, по-видимому, определяется размером могательного разряда 3. При межэлектродном расстояловушки и скоростью потока плазмы, истекающей из нии вспомогательного разряда 1 mm для возбуждения вакуумно-дугового разряда. Поскольку скорость потока катодных пятен и инициирования вакуумной дуги доионов приблизительно равна 106 cm/s [3], то параметр статочно приложения между катодом и поджигающим удержания Nei для 100-сантиметровой ловушки в эксэлектродом импульса напряжения величиной 7 kV и периментах, описанных в предыдущих работах [6,7], длительнстью 10-30 µs.

не превышал 108 cm-3 · s, а этого значения параметра Общая схема установки приведена на рис. 2. Плазудержания явно недостаточно для образования многомогенератор 1 устанавливался на оси системы вблизи зарядных ионов [10]. По-видимому, именно этот факт одной из пробок магнитной ловушки, образуемой двумя был ответствен за отсутствие заметного увеличения катушками 2. Источник питания генератора плазмы зарядности ионов в экспериментах, представленных в обеспечивал импульс тока дугового разряда длительработах [6,7]. Вместе с тем время жизни ионов в ностью 100 µs, а величина тока могла варьироваться магнитной ловушке в традиционных ЭЦР источниках от 80 A до 3 kA. Источник питания был помещен на при работе с газами достигает нескольких миллисекунд, высоковольтную платформу, так как на анод плазмоа значение параметра удержания превышает 109 cm-3 · s.

генератора, соединенный с разрядной камерой, подаваНастоящая работа посвящена исследованию генелось ускоряющее ионы напряжение до 10 kV. Разрядная рации многозарядных ионов тугоплавких металлов в вакуумная камера 3, помещенная внутрь магнитной плазме с существенно большей плотностью, что доловушки, имела тефлоновое окно, через которое излустигается как за счет использования более мощного, чение гиротрона 4 вводилось в область разряда (частота до 100 kW, гиротрона, так и за счет более короткоизлучения 37.5 GHz, мощность до 100 kW, длительность волнового, f = 37.5 GHz, излучения. Отметим, что для импульса 1.5 ms). СВЧ излучение, взаимодействуя с поддержания на оптимальном для образования мноэлектронами плазмы в условиях ЭЦР, значительно увегозарядных ионов уровне температуры электронов в личивало их энергию, что в свою очередь приводило к разряде необходима, согласно оценкам, проведенным по дополнительной ионизации ионов электронным ударом.

методике работы [11], интенсивность СВЧ излучения на На расстоянии 14 cm за второй пробкой магнитной уровне десятков kW/cm2. Достижение такой интенсивловушки был установлен двухэлектродный экстрактор 5, ности вполне реально при использовании современных предназначенный для ускорения ионов. Сформировангиротронов [12].

ный ионный пучок поступал в магнитостатический анализатор 6, где осуществлялось измерение спектра ионов 1. Экспериментальная установка по зарядностям.

Эксперименты проводились на экспериментальном 2. Оценка параметра удержания стенде в Институте прикладной физики РАН. Для исследований дополнительной ионизации многозярядных плазмы в магнитной ловушке ионов металлов вакуумно-дугового разряда в магнитной ловушке с нагревом электронов в условиях ЭЦР в Одним из основных параметров, определяющих эфИнституте сильноточной электроники СО РАН был из- фективность генерации многозарядных ионов в расготовлен специальный миниатюрный плазмогенератор, сматриваемой системе, является скорость ионов плазмы конструкция которого схематично показана на рис. 1. вакуумно-дугового разряда. Эта скорость при фиксироВакуумно-дуговой разряд, инициируемый вспомогатель- ванном размере магнитной ловушки определяет время ным разрядом по поверхности диэлектрика, генерирует взаимодействия горячих электронов с ионами металла и Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. Генерация многозарядных ионов тугоплавких металлов в электронно-циклотронном... Рис. 2. Схема экспериментальной установки: 1 — плазмогенератор; 2 — магнитная ловушка, длина 27 cm, пробочное отношение 5, поле в пробках до 3 T; 3 — разрядная вакуумная камера на высоковольтной платформе; 4 —гиротрон; 5 — двухэлектродный экстрактор, апертура 1 mm, напряжение экстракции до 10 kV; 6 — магнитостатический анализатор ионных пучков, разрешение по параметру заряд/масса иона составляет 15-20.

соответственно кратность ионизации этих ионов. Другим ставляет Ne Iextr/(VPt · e · Sextr) 1.3 · 1012 cm-3, где важным параметром работы системы является концен- e — заряд электрона. Если предположить, что распротрация плазмы, попадающей в магнитную ловушку из странение плазмы от плазмогенератора до экстрактора плазмогенератора. Для определения этих параметров происходит только по силовым линиям магнитного поля, были проведены предварительные эксперименты.

Известно, что наличие в катодной области вакуумнодугового разряда магнитного поля приводит к росту напряжения горения разряда и соответственно скорости ионов, эмиттируемых катодными пятнами [13]. Оценка времени взаимодействия горячих электронов с плазмой вакуумно-дугового разряда осуществлялась на основании анализа осциллограмм токов экстракции при различных величинах магнитного поля ловушки (рис. 3), из которого следует, что при большей напряженности магнитного поля в области вакуумно-дугового разряда скорости ионов выше. Полученная из этих осциллограмм зависимость скоростей ионов от величины магнитного поля приведена на рис. 4. Как и в [13], в нашем Рис. 3. Осциллограммы: 1 — ток вакуумно-дугового разряда, эксперименте также было зафиксировано значитель2–5 — токи экстракции ионов при магнитных полях 0, 1.5, 1.8, ное увеличение напряжения горения вакуумной дуги с 2.6 T в пробках магнитной ловушки соответственно. Величина увеличением магнитного поля (рис. 5), что косвенно тока дуги в максимуме составляет 150 A.

также свидетельствует об увеличении скорости ионов в плазменной струе, испускаемой катодными пятнами при горении вакуумно-дугового разряда. Как следует из проведенных измерений, влияние магнитного поля на напряжение горения вакуумной дуги и на скорость ионов в плазменной струе имеет тенденцию к насыщению при магнитных полях более 1.5 T, поэтому для оценок можно считать среднюю скорость ионов платины VPt 1.5 · 106 cm/s. Таким образом, время взаимодействия ионов платины с горячими электронами в ловушке составляет i = Ltrap/VPt 18 µs, где Ltrap = 27 cm — длина ловушки.

Оценить концентрацию плазмы вакуумно-дугового разряда в магнитной ловушке можно по абсолютной величине тока извлеченных из плазмы ионов. Так, при токе вакуумной дуги 115 ампер через отверстие плазменного электрода экстрактора диаметром dextr = 1mm Рис. 4. Средняя скорость потока плазмы вакуумно-дугового (т. е. через площадь Sextr = 7.8 · 10-3 cm2) проходит ток разряда в зависимости от напряженности магнитного поля в Iextr = 2.5 mA, следовательно, концентрация плазмы со- пробках ловушки. Ток дуги 150 A.

Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. 104 А.В. Водопьянов, С.В. Голубев, Д.А. Мансфельд, А.Г. Николаев, Е.М. Окс, С.В. Разин, К.П. Савкин...

При проведении исследований осуществлялось варьирование следующих параметров: тока вакуумно-дугового разряда, величины магнитного поля ловушки и мощности СВЧ излучения. Распределение ионов платины по кратностям ионизации без СВЧ накачки приведено на рис. 6. Величина среднего заряда при этом составялет 1.2. Для того чтобы получить максимальный средний заряд ионов платины, в эксперименте с ЭЦР нагревом потребовалось уменьшить ток вакуумнодугового разряда до минимально возможного значения и подобрать оптимальную СВЧ мощность. Максимальная средняя зарядность, равная 4.3 для ионов платины, была получена при токе вакуумной дуги 80 A, магнитном поле в пробках ловушки 2.6 T и вводимой СВЧ мощности на Рис. 5. Напряжение горения дуги в зависимости от напряженуровне 60 kW (рис. 7). Для удобства сравнения на рис. ности магнитного поля в пробках ловушки. Ток дуги 150 A.

представлена гистограмма, на которой эти два спектра сведены вместе.

то концентрация плазмы в области пробок ловушки будет составлять Ne 3.7 · 1012 cm-3.

В то же время за счет изменения тока вакуумной дуги концентрация плазмы может изменяться в широких пределах. Если считать оптимальной для ЭЦР нагрева концентрацией критическую для частоты СВЧ излучения 37.5 GHz, равную 1.7 · 1013 cm-3, то параметр удержания Ne · i 3 · 108 cm-3 · s. Такой параметр удержания ионов позволяет надеяться на существенную дополнительную ионизацию металлических ионов при условии, что температура электронов окажется достаточной.

3. Генерация многозарядных ионов Рис. 6. Распределение по зарядовым состояниям ионов пламеталлов в магнитной ловушке тины плазмы вакуумно-дугового разряда в магнитном поле с нагревом электронов ловушки. Ток дуги 140 A, магнитное поле в пробках ловушв условиях ЭЦР ки 1.3 T.

Pages:     || 2 |



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

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.