НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ФІЗИКИ

ЧЕХ ЮРІЙ МИКОЛАЙОВИЧ

УДК 533.9.004.14: 533.9.07

СТАТИЧНІ ТА ДИНАМІЧНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ ШИРОКОАПЕРТУРНИХ ПЛАЗМОВИХ ЛІНЗ ЗІ СТАЦІОНАРНИМ МАГНІТНИМ ПОЛЕМ

01.04.04 - фізична електроніка

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Київ – 2006

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті фізики НАН України

Науковий керівник: доктор фіз.-мат. наук, професор

Гончаров Олексій Антонович

Інститут фізики НАН України

провідний науковий співробітник

Офіційні опоненти:

доктор фіз.-мат. наук, професор

Анісімов Ігор Олексійович

завідувач кафедри фізичної електроніки

Київський Національний університет імені Тараса Шевченка

доктор фіз.-мат. наук, професор

Романюк Леонід Іванович

провідний науковий співробітник

Інститут ядерних досліджень НАН України

Провідна установа:

Національний науковий центр „Харківський фізико-технічний інститут”

Захист відбудеться “26” жовтня 2006 р. о 1430 годині на засіданні Спеціалізованої вченої ради Д 26.159.01 при Інституті фізики НАН України за адресою: 03028, м. Київ, пр. Науки, 46, конференц-зал.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту фізики НАН України.

Автореферат розіслано “22” вересня 2006 р.

Вчений секретар

Спеціалізованої вченої ради, Чумак О.О.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми

Електростатичні плазмові лінзи (ПЛ) О.І. Морозова уже протягом багатьох років демонструють переконливі переваги у порівнянні з традиційними іонно-оптичними системами, а їх дослідження все частіше переходять з фундаментальної сфери до практичних застосувань. Новою перспективною сферою використання ПЛ можуть стати сильнострумові лінійні прискорювачі важких іонів. Одним з основних критеріїв, що визначають ефективність використання ПЛ у лініях транспортування прискорювачів, є ступінь їх впливу на емітанс іонного пучка. Погіршення емітансу може відбуватися внаслідок розвитку нестійкостей у плазмовому середовищі лінзи і при наявності аберацій. Таким чином, актуальними є дослідження властивостей цих нестійкостей і пошук шляхів мінімізації аберацій. Однією з умов, необхідних для пригнічення нестійкостей, є відсутність радіального градієнту магнітного поля. При наявності такого градієнту в лінзі збуджується пучково-дрейфова нестійкість, яка призводить до виникнення сферичних і динамічних аберацій. Нещодавно проведені теоретичні дослідження показали, що розвиток цієї нестійкості може призвести навіть до формування великомасштабних електронних вихорів.

Традиційно для створення магнітних полів у плазмових лінзах використовувалися котушки з імпульсним живленням. У цьому випадку мінімізувати градієнти досить складно. Розумною альтернативою є використання постійних магнітів, що дозволяє порівняно легко зменшити градієнт магнітного поля більш ніж на порядок. Одним з головних завдань даної роботи було дослідження особливостей роботи ПЛ при використанні стаціонарного магнітного поля з мінімізованими градієнтами. Слід відзначити, що використання стаціонарних магнітних полів може призвести до запалення самостійного жевріючого розряду в об’ємі лінзи. У зв’язку з цим, потрібні дослідження властивостей цього розряду, а також характеру його впливу на фокусуючі властивості лінз. Необхідність експериментальних досліджень ПЛ зумовлена також тим, що дотепер не був встановлений основний фактор, який визначає коефіцієнт стискання пучків важких іонів середніх енергій, сформованих багатоапертурним вакуумно-дуговим джерелом при фокусуванні плазмовою лінзою в діапазоні слабких магнітних полів.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами

Дослідження проводились у відділі газової електроніки Інституту фізики Національної Академії Наук України за бюджетними проектами науково-дослідницьких робіт: 1.4.1“Дослідження фізичних процесів в плазмово-технологічних і пучково-плазмових приладах”, номер держ. реєстрації – 0199U000888рр.); 1.4.1 В/76 "Дослідження кінетичних та динамічних процесів в технологічних плазмових системах", номер держ. реєстрації – 0102U000271 (2002 – 2004 рр.); 1.4.1 В/116 "Плазмохімічні та плазмодинамічні процеси в технологічних плазмових системах", номер держ. реєстрації – 01054000632 (2005 р.); за проектом Українського Науково-Технологічного Центру №1596 “Плазмооптичні пристрої для керування пучками важких іонів” (2000-2003 рр.), а також за конкурсним бюджетним проектом 1МВ / “Експериментальне дослідження електронних вихорів у плазмовій лінзі” номер держ. реєстрації – 0105U005319 (2005 р.).

Об'єкт дослідження – фізичні процеси в іонно-пучковій плазмі в схрещених електричному і магнітному полях.

Предмет дослідження – статичні та динамічні процеси в плазмовому середовищі широкоапертурних лінз зі стаціонарними магнітними полями, а також процеси в іонних пучках, сфокусованих за допомогою таких лінз.

Мета і задачі дослідження - експериментальне визначення статичних і динамічних характеристик широкоапертурних плазмових лінз зі стаціонарними магнітними полями, зокрема, лінзи з мінімізованими градієнтами магнітного поля, при фокусуванні імпульсних пучків важких іонів середніх енергій, сформованих багатоапертурним вакуумно-дуговим джерелом.

1)

2)

3)

4)

5)

Методи дослідження

Для дослідження динаміки потенціалу і густини струму використовувалися контактні методи на основі перетворювачів прямої дії: секціонованих колекторів, ленгмюрівських та ємнісних зондів, застосування яких визначалося необхідністю проведення локальних вимірів. Для дослідження розподілу іонів у фазовому просторі використовувався диференціальний метод “Pepper-Pot”, у якому реалізується фотореєстрація діафрагмованого пучка. Його застосування визначалося необхідністю одночасного вимірювання параметрів поперечного розподілу швидкостей по всьому перерізу пучка.

Наукова новизна отриманих результатів

1.

2.

3.

4.

5.

Практичне значення отриманих результатів

Знайдено режими фокусування, при яких реалізується збільшення густини струму пучка у фокусі до 48 разів без істотного збільшення його емітансу. Отримано рекордну для плазмових лінз густину струму іонного пучка, сформованого багатоапертурним джерелом (390 мА/см2). За рахунок зміни конструкції електродної системи підвищено стабільність середовища в лінзі в діапазоні слабких магнітних полів. Проведені дослідження демонструють можливість використання плазмових лінз у сильнострумових лінійних прискорювачах важких іонів як альтернативу дорогим і складним в експлуатації квадрупольним магнітним лінзам, в яких використовуються надпровідні магніти. Продемонстровано переваги комбінованого методу формування електронного об'ємного заряду в лінзі, при застосуванні якого попереднє накопичення електронів здійснюється за допомогою жевріючого розряду, а остаточне формування розподілу електронної густини здійснюється електронами іон-електронної емісії, яка виникає при потраплянні периферійних іонів пучка на електроди лінзи.

Особистий внесок здобувача – автор брав активну участь у постановці і рішенні експериментальних завдань, відпрацьовуванні методик вимірів, а також обробці й інтерпретації отриманих результатів, підготовці і написанні наукових статей, конструюванні необхідних експериментальних пристроїв і вимірювальних елементів.

Достовірність отриманих результатів визначається використанням апробованих експериментальних методик імпульсної техніки та фізики плазми. Про достовірність результатів свідчить також наступне. Отримане значення ефективної температури іонів пучка, розраховане з результатів вимірювання емітансу, було підтверджене результатами вимірювання залежності максимальної струмової ефективності від фокусної відстані; значення температури пучків, що витягуються з окремих емісійних отворів, а також значення ефективної температури всього пучка, добре узгоджуються з результатами, опублікованими іншими дослідниками. Оцінка частоти обертання електронів у вихорах, яку отримано з розрахунків руху електронів, показала задовільне узгодження з частотою дрібномасштабних коливань, які спостерігалися при проходженні вихорів через зонд. Результати розрахунку електричних полів у прианодному електронному шарі, сформованому жевріючим розрядом, добре узгоджуються з результатами, отриманими з вимірювань частоти діокотронної нестійкості.

Апробація результатів дисертації – результати доповідалися на трьох міжнародних конференціях: 10-й Міжнародній конференції з іонних джерел (вересень 2003, Дубна, Росія), 10-й Міжнародній конференції з фізики плазми і керованого синтезу (вересень 2004, Алушта, Україна), Міжнародній конференції з низькотемпературної плазмі (травень 2003, Київ, Україна). Матеріали дисертації систематично обговорювалися на наукових семінарах у відділі газової електроніки Інституту фізики НАН України, а також на підсумковій конференції інституту (2004 р.).

Публікації – основні результати надруковані в шістьох статтях реферованих наукових журналів і тезах трьох міжнародних конференцій.

Структура дисертації

Дисертація складається із вступу, огляду літератури, опису експериментальної установки та методів вимірювання, трьох розділів оригінальних досліджень, висновків, списку публікацій автора за темою дисертації та списку використаних джерел з 121 найменування. Вона містить 148 сторінок і 54 рисунка.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовується актуальність досліджень фізичних процесів в іонно-пучковій плазмі ПЛ, які визначають її фокусуючі властивості. Сформульовано основні результати роботи, розкрито їх наукову новизну і практичне значення.

У першому розділі наведено огляд літератури, у якому викладено основні етапи досліджень ПЛ, представлено результати, отримані іншими дослідниками при вивченні їх статичних і динамічних характеристик.

В другому розділі описано експериментальні установки, та методи вимірювання. Схеми експериментальних установок представлено на рис. 1.

Рис. 1. Схеми експериментальних установок

а) для дослідження фокусуючих властивостей лінзи з мінімізованими градієнтами магнітного поля, самостійного розряду і вихорових структур;

б) для виміру емітансу;

1 – вакуумна камера; | 7 – ленгмюрівський зонд;

2 – іонне джерело; | 8 – секціонований колектор;

3 – іонно-оптична система; | 9 – діафрагмуючий екран;

4 – іонний пучок; | 10 – люмінофор;

5 – плазмова лінза; | 11 – вікно;

6 – ємнісні або ленгмюрівські зонди; | 12 – фотоапарат.

Для одержання імпульсного іонного пучка використовувалося двокамерне імпульсно-періодичне вакуумно-дугове джерело із сітчастим анодом і трьохелектродною багатоапертурною іонно-оптичною системою. У переважній більшості експериментів використовувалися катоди з Cu та Pb; для визначення тонкої структури розподілу іонів у фазовому просторі використовувався катод з Al. Відзначимо, що суттєвої різниці у роботі лінзи при фокусуванні пучків Cu або Pb не спостерігалося. Іонно-оптична система містила 84 окремі профільовані циліндричні комірки  4 мм, розміщені в межах кола  5,6 см. Максимальна прискорююча напруга Uacc складала 16 кВ, тривалість імпульсу прискорюючої напруги складала 100 мкс, частота повторення – 0,5 або 1 Гц. Дослідження виконувалися при двох значеннях повного струму пучків Ib  40 мА (слабкострумовий режим) та 400 мА (сильнострумовий). Залишковий тиск у вакуумній камері складав менш ніж 210-5 Тор (за винятком досліджень самостійного розряду).

Для досліджень використовувалися дві плазмові лінзи зі стаціонарним магнітним полем (що умовно позначаються як ПЛк і ПЛм), які відрізняються конфігурацією магнітного поля й електродної системи. Схема установки, на якій проводилися дослідження фокусуючих властивостей лінзи ПЛм, представлена на рис. 1а. Цей же варіант установки використовувався при дослідженнях властивостей самостійного розряду, а також вихорових структур у лінзі ПЛк. Відстані від середньої площини лінз до джерела іонів та центрального колектора складали відповідно 30 та 19 см. Схему установки, яка використовувалася для вимірювання емітансу пучка, сфокусованого лінзою ПЛм, представлено на рис. 1б. У цій конфігурації середня площина лінзи розташовувалася приблизно на однаковій відстані (30 см) як від джерела іонів, так і вимірювача емітансу.

На рис. 2. представлено геометрії магнітопроводів, електродних систем, а також конфігурації силових ліній стаціонарних магнітних полів лінз. Для керування розподілом потенціалу в об’ємі лінзи використовувалося 13 фіксуючих електродів: один центральний і 12 парних, розташованих симетрично відносно центрального та з’єднаних електрично. Пара крайніх електродів заземлювалася. Внутрішній радіус електродів лінз RL = ,7 см, довжина лінз складає приблизно 15 см. Стаціонарне магнітне поле в ПЛ створювалося за допомогою постійних Nd-Fe-B магнітів з індукцією на поверхні близько 300 мТл. Величина індукції поля B0 (у центрі лінзи) варіювалася дискретно від 9 до 70 мТл за рахунок зміни кількості магнітів. Надалі магнітні поля з індукцією 913 мТл ми будемо умовно називати слабкими, поля 3070 мТл – сильними. Конфігурації магнітопроводів підбиралися на підставі чисельних розрахунків. Форма магнітопроводу лінзи ПЛк (рис.  а) підбиралася таким чином, щоб силові лінії, що проходять поблизу осі лінзи в області каспа, утворювали з віссю системи кут, близький до 90. У цьому випадку топографія магнітного поля є подібною до тієї, що створюється котушками зі струмом і є оптимальною з точки зору можливості керування об'ємними полями. Однак при цьому в центральному перерізі лінзи магнітне поле має значний радіальний градієнт. Форма магнітопроводу лінзи ПЛм (рис.  б, 2 в) вибиралася з метою мінімізації радіального та аксіального градієнтів магнітного поля у центральній її частині. Завдяки цьому максимальне значення радіального градієнта магнітного поля в лінзі ПЛм було зменшене приблизно в 20 разів, порівняно з лінзою ПЛк. Крім того, у центральній області лінзи ПЛм також зменшено аксіальний градієнт. Завдяки цьому розширюється область дії електричних полів у центральній частині лінзи і послаблюється дія полів на торцях лінзи, яка призводить до сферичних аберацій. Для ПЛм використовувалися дві змінні електродні системи різної конструкції. Перший варіант електродної системи представляв собою систему широких металевих кілець, що розташовувалися з малими проміжками (рис.  б).

Рис. 2. Схеми плазмових лінз;

а) лінза ПЛк; б) лінза ПЛм; в) лінза ПЛм з модифікованою електродною системою

1 – постійні магніти; | 4 – електроди;

2 – магнітопровід; | 5 – міжелектродні діелектричні вставки;

3 – силові лінії магнітного поля; | 6 – металева сітка

Друга електродна система збиралася з тонких кілець, що розмежовувалися діелектричними вставками; для забезпечення додаткової компенсації пучка використовувалася металева сітка з прозорістю 80 % (рис.  в). Попередні дослідження фокусуючих властивостей ПЛм та її впливу на емітанс пучка виконувалися при використанні першої електродної системи (рис.  б). Найкращі фокусуючі властивості лінзи були зафіксовані при використанні другої системи (рис.  в).

Для живлення електродних систем застосовувалися як постійне, так і імпульсне джерела. В останньому випадку використовувалась частина прискорюючої напруги джерела іонів. Максимальна напруга на електродах лінзи UL при використанні як постійного так і імпульсного джерел складала 5 кВ.

У більшості випадків для дослідження ефективності ПЛм вимірювався коефіцієнт стискання Kj, який дорівнює відношенню густин струму при ввімкненій та вимкненій лінзі. Більш адекватним параметром є струмова ефективність, яка вимірюється протягом одного імпульсу і дорівнює відношенню струму пучка на зонд до повного струму пучка. Цей параметр використовувався в тих випадках, коли точність мала принципове значення.

Дослідження властивостей самостійного розряду, та електронних вихорів виконувалися за допомогою лінзи ПЛк, оскільки середовище у ПЛм виявилося досить чутливим до введення навіть невеликих за розміром зондів.

Емітанс вимірювався за методикою „Pepper-Pot” (див. рис. 1 б) у сильнострумовому режимі. Цей метод базується на фотореєстрації світіння люмінесцентного екрану під дією діафрагмованого пучка та дозволяє вимірювати параметри функції розподілу поперечних швидкостей іонів одночасно по всьому перерізу пучка. Зазначимо, що вимірювання виконувалися у режимі однократної експозиції. Крім того застосовувалась інша модифікація методу Pepper-Pot, яка відрізнялася тим, що реєструвалося не світіння люмінесцентного екрану, а сліди, що залишає на ньому діафрагмований пучок Al. Завдяки цьому вдалося значно підвищити роздільну здатність вимірювача емітансу, та виявити тонку структуру розподілу іонів пучка у фазовому просторі.

У третьому розділі представлено результати дослідження статичних та динамічних властивостей плазмової лінзи з мінімізованими градієнтами магнітного поля (ПЛм) при фокусуванні інтенсивних багатоапертурних імпульсно-періодичних пучків важких іонів середніх енергій у діапазонах слабких і сильних магнітних полів. Визначено дві основні відмінності ПЛм від попередніх лінз, які, вірогідно, пов’язані з однорідністю магнітного поля. По-перше, оптимальний розподіл, визначений експериментально у діапазоні сильних магнітних полів, співпадає з розподілом, розрахованим на підставі принципів плазмооптики. По-друге, як вже було зазначено вище, середовище у ПЛм виявилося дуже чутливим до введення пасивних елементів навіть досить малого розміру. Встановлено, що властивості лінзи суттєво залежать від режиму живлення електродів лінзи як у діапазоні слабких, так і сильних магнітних полів. А саме: при використанні постійної напруги на електродній системі, як правило, ПЛм забезпечує більшу густину струму у фокусі, працює більш стабільно та швидше входить у робочий режим. Останнє дозволяє характеризувати наведені умови роботи лінзи як режим „очікування”. В діапазоні слабких магнітних полів реалізовано режим фокусування без істотного збільшення рівня модуляції густини струму. За цих умов було вперше досліджено ступінь впливу лінзи на емітанс. З результатів, наведених на рис. 3 випливає, що емітанс, відповідний фазовому контуру, який охоплює 250 мА (приблизно 50 % від повного струму пучка), складає 2200 мммрад. Важливим результатом є те, що за даних умов величина емітансу пучка при фокусуванні практично не збільшується.

З результатів виміру емітансу випливає, що ефективна температура іонів Ті еф  110 еВ. Зручною характеристикою для визначення можливості обмеження максимальної густини струму пучка у фокусі є залежність коефіцієнту стискання або струмової ефективності від фокусної відстані. Слід зазначити, що в діапазоні слабких магнітних полів плазмові лінзи працюють стабільно лише при перевищенні певного порогу по UL. При значеннях напруги, які є меншими від зазначеного порогу, спостерігаються періодичні зриви процесу фокусування, які, як було встановлено, виникають внаслідок періодичного викиду електронів з об’єму лінзи. Нестабільність роботи лінзи значно ускладнює вимірювання та інтерпретацію зазначених залежностей. Середовище у ПЛм вдалося стабілізувати завдяки використанню електродної системи, зображеної на рис.  в. З використанням цього варіанту лінзи ПЛм отримано результати, наведені на рис. .

Рис. 3. Залежності емітансу та нормалізованого емітансу від струму пучка,

який охоплюється фазовими контурами

ПЛм, Uacc = 16 кВ, B0 = 12,6 мТл, Ib =0,5 А (Cu)

Рис. 4. Максимальні значення струмової ефективності та коефіцієнту стискання, виміряні на різних відстанях від центрального перерізу лінзи (ПЛм з модифікованою електродною системою); крапки – результати вимірювання, лінія – апроксимація теоретичною залежністю, відповідною Ті еф = еВ; Uacc = 16 кВ, B0 = 12,6 мТл, Ib =0,5 А (Cu)

Співставлення теоретичної залежності струмової ефективності від фокусної відстані для випадку, коли густина струму обмежується кінцевим фазовим об’ємом, з залежністю, отриманою експериментально, показало, що найкраще узгодження відповідає температурі  140 еВ (рис. 4). Добре узгодження температур, які були отримані з результатів вимірювання емітансу та залежності струмової ефективності від фокусної відстані, дозволяє зробити висновок, що за даних умов максимальна густина струму та відповідно коефіцієнт стискання визначаються початковим фазовим об’ємом багатоапертурного пучка, що також є важливим результатом.

Додаткові дослідження з використанням зазначеної вище модифікованої методики Pepper-Pot дозволили виявити тонку структуру розподілу іонів пучка у фазовому просторі, яка виникає як наслідок багатоапертурності пучка (рис. 5). У двовимірному фазовому просторі тонка структура проявляється у вигляді шаруватого розподілу, який, як виявилося, зберігається навіть при перекритті (у звичайному просторі) пучків, що виходять з окремих емісійних отворів.

Рис. 5. Фотографії слідів, які залишають елементарні пучки Al на люмінофорі;

на рис. (б) представлене збільшене зображення одного із слідів,

позначеного стрілкою на рис. (а)

У діапазоні слабких магнітних полів при найбільш стабільному режимі роботи, коли відносний рівень шумової модуляції суттєво не підвищувався, форми імпульсів повного струму пучка та густини струму практично співпадали, при цьому спостерігалася найкраща повторюваність результатів, густина струму складала до 250 мАсм2.

Видається необхідним привести осцилограму імпульсу густини струму, протягом якого було досягнуто значення  390 мА/см2 (рис. 6). Густини струму, які є близькими до вказаної величини, спостерігалися достатньо рідко, тому цей результат не був включений у залежність представлену на рис. 4. Ймовірно, настільки високе значення було отримане внаслідок спонтанного вирівнювання плазмових границь одночасно у декількох емісійних отворах джерела іонів і відповідного зменшення початкового емітансу пучка.

Рис. 6. Осцилограма густини струму у фокусі при максимальному коефіцієнті стискання, досягнутому під час досліджень; горизонтальна розгортка 20 мкс/под;

Uacc= 16 кВ, B0 = 12,6 мТл, Ib =0,5 А, UL = 4 кВ, z = 12 см

У четвертому розділі представлено результати дослідження статичних і динамічних параметрів самостійного жевріючого розряду низького тиску, який розвивається у ПЛ зі стаціонарними електричним та магнітним полями. Дослідження проводилися з використанням лінзи ПЛк. Показано, що розряд є подібним до розряду у комірці Пеннінга низького тиску. Головною ознакою цього розряду є густий прианодний електронний шар, де реалізуються значні електричні поля, завдяки яким відбуваються процеси іонізації молекул залишкового газу (повітря). Шляхом використання параметрів розряду, отриманих експериментально (у першу чергу струму розряду), визначено густину електронів у прианодному шарі та показано, що загальна кількість електронів, які накопичуються у лінзі під час розвитку розряду, є порівнянною з кількістю електронів, необхідною для перекомпенсації середовища у лінзі в звичайному робочому режимі. Ідентифіковано нестійкості, характерні для такого розряду: це діокотронна та іонізаційна нестійкості прианодного шару, які приводять до збудження відповідно високочастотних (230 МГц) та низькочастотних (3200 кГц) коливань потенціалу.

Суттєві відмінності, які спостерігалися при постійному та імпульсному живленні електродів ПЛм можуть бути пояснені відмінністю початкових умов, за яких пучок іонів, що фокусується, входить до лінзи. При постійному живленні електродної системи ще до входження пучка у лінзі накопичується значна кількість електронів, що призводить до швидшого входження лінзи ПЛм у робочий режим та, напевно, сприяє більш рівномірному та стабільному остаточному розподілу об’ємного заряду. Слід відзначити, що крім електронів у розряді можуть накопичуватися повільні іони, які, як відомо, можуть суттєво погіршувати фокусуючі властивості ПЛ. Ймовірне пояснення слабкого впливу цих іонів на фокусуючі властивості ПЛм таке. Як показують результати вимірів, повний струм емісії електронів з електродів лінзи при їх бомбардуванні іонами пучка на декілька порядків перевищує повний струм жевріючого розряду. Завдяки домінуючій емісії електронів з електродів під час входження пучка у лінзу розподіл електронної густини повинен згладжуватися, про що свідчить зникнення діокотронних коливань. У свою чергу, згладжування розподілу електронної густини повинно призводити до значного зменшення максимальних електричних полів і швидкості іонізації залишкового газу. Відповідний розрахунок показує, що при цьому генерація повільних іонів практично припиняється, а ті іони, що були накопичені попередньо, повинні залишити об'єм лінзи за час порядку 1 мкс.

У п'ятому розділі представлено результати експериментальних досліджень хвиль потенціалу, які виникають на нелінійній стадії розвитку пучково-дрейфової нестійкості, що збуджується при наявності радіального градієнта швидкості електронів. Така нестійкість може виникати при наявності радіальних градієнтів магнітного поля або електронної густини. Досліджувалась нестійкість за наявності значного градієнту електронної густини, що реалізується у поодинокому густому електронному шарі, який створювався шляхом фіксації значного перепаду потенціалу між двома сусідніми електродними парами. Такий спосіб дозволяє локалізувати область збудження нестійкості, оскільки її максимальний інкремент повинен спостерігатися в тих областях, де реалізується найбільший градієнт електронної густини. Дослідження проводилися з використанням лінзи ПЛк, магнітне поле у центрі лінзи складало 41 мТл, струм пучка – 0,4 А, прискорююча напруга джерела іонів – 12 кВ, напруга на лінзі – 1 кВ. Основна частина експериментів проводилася при максимальній напрузі на центральному електроді та сусідній парі електродів, всі інші електроди заземлювалися. За цих умов спостерігалося збудження нелінійних хвиль потенціалу великої амплітуди (рис. 7). Одним з найбільш важливих параметрів цих хвиль є їх радіальне електричне поле. Це поле визначалося за допомогою пари здвоєних ємнісних зондів, відстань між якими складала 5 мм. Азимутальний профіль потенціалу хвиль визначався по часових залежностях сигналів, які реєструвалися зондами.

Особливості вимірювальних ланцюгів не допускали адекватного виміру величини потенціалу за час, порівнянний із тривалістю пучка. З цієї причини для визначення постійної (у межах  20 мкс) складової потенціалу використовувався поодинокий радіально-рухливий ленгмюрівський зонд. Постійна складова потенціалу вимірювалася без інтегрування струму, а саме в областях між електронними згустками, тобто в тих проміжках, де середовище є найменш збуреним їх полями. У цьому сенсі розподіл потенціалу і відповідний розподіл електричного поля, виміряні за допомогою ленгмюрівського зонда, ми умовно називаємо “фоновими”.

Таким чином була отримана карта розподілу електричних полів у центральному перерізі лінзи, з якої випливає, що в тих областях, де фонове електричне поле та поле хвиль спрямовані протилежно (тобто вони є конкуруючими), поле хвиль перевищує фонове поле до трьох разів. Останнє свідчить про можливість захоплення електронів полем хвиль.

Рис. 7. Осцилограми коливань потенціалу в центральному перерізі лінзи

SPD, В0 = 41 мТл, Uacc = 12 кВ, UL = 1 кВ, Ib = 0,4 А, Cu, k = 5

а) r = 5 мм; б)  мм; в) ,5 мм; г) r мм; д) r ,5 мм; е) r ,5 мм

вертикальна розгортка 140 В/под, горизонтальна – 0,5 мкс/под,

за винятком (е) – 0,02 мкс/под

На підставі апроксимацій отриманих розподілів та рівняння руху електронів у плазмооптичному наближенні

,

де Ve – швидкість електронів, E – напруженість електричного поля, B – магнітна індукція, були наближено розраховані траєкторії електронів, з яких випливає, що завдяки своїй значній амплітуді хвилі потенціалу дійсно захоплюють електрони, утворюючи ланцюг вихорів, в яких електрони обертаються з частотою близькою до 40 МГц, яка набагато перевищую як частоту обертання вихорів як цілого навколо вісі лінзи (0,4 МГц), так і частоту обертання електронів, які не захоплені вихорами, навколо цієї вісі ( 10 МГц). Поперечний розмір цих вихорів складає 1 1,5 см.

Додаткові експериментальні дослідження дозволили виявити дрібномасштабні високочастотні (  МГц) коливання, які спостерігаються при проходженні вихорів через зонд (див. рис. в – області, позначені стрілками, а також рис. е, на якому одна з таких областей показана в збільшеному за часом масштабі). Той факт, що розрахована частота є меншою, можна пояснити тим, що під час вимірів та апроксимації електричних полів хвиль, відбувалося їх заниження.

Як показали результати вимірювань, значення потенціалу поблизу центрів вихорів є близьким до потенціалу того електроду, на який спираються силові лінії, що проходять через ці області (за даних умов потенціал цього електроду дорівнює потенціалу землі). Тобто, в умовах експерименту захоплені електрони зменшують потенціал простору до потенціалу землі, при цьому вони одержують можливість переходити на електроди лінзи (порушується умова поздовжнього утримання) і, таким чином, припиняється їх накопичення – амплітуда стабілізується.

ВИСНОВКИ

У дисертації експериментально досліджено статичні та динамічні характеристики широкоапертурних плазмових лінз зі стаціонарними магнітними полями при фокусуванні імпульсних багатоапертурних пучків важких іонів середніх енергій, зокрема досліджено лінзу з мінімізованими градіентами магнітного поля.

Основні результати дисертаційної роботи

1. Вперше експериментально отримано розподіли у фазовому просторі іонів сильнострумового багатоапертурного пучка, сфокусованого за допомогою плазмової лінзи з мінімізованими градієнтами магнітного поля:

·

·

2. Досліджено властивості самостійного розряду в об’ємі лінз зі стаціонарними електричним та магнітним полями та визначено його вплив на фокусуючі властивості.

Показано, що в результаті розвитку розряду в лінзі накопичуються електрони у кількості, порівнянній з тією, що необхідна для перекомпенсації середовища в лінзі в звичайному робочому режимі. Встановлено, що наявність середовища, сформованого розрядом, зумовлює істотне поліпшення фокусуючих властивостей лінзи, а саме: лінза працює більш стабільно, забезпечує більшу густину струму у фокусі і швидше входить у робочий режим.

3. Експериментально підтверджена можливість формування електронних вихорів у плазмовій лінзі:

·

·

Отримані результати, зокрема збереження величини емітансу, низький рівень шумової модуляції пучка, а також високі коефіцієнти стискання відкривають можливість використання ПЛ у лініях транспортування сильнострумових лінійних прискорювачів важких іонів. Реалізація режимів роботи ПЛ зі збудженням електронних вихорів, у свою чергу, відкриває широкі можливості для фундаментальних досліджень такого роду структур у двокомпонентній іонно-пучковій плазмі, яка складається із замагнічених електронів і майже вільних іонів.

СПИСОК ПУБЛІКАЦІЙ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

АНОТАЦІЯ

Чех Ю.М. Статичні та динамічні характеристики широкоапертурних плазмових лінз зі стаціонарним магнітним полем. - Рукопис. - Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.04 - Фізична електроніка. Інститут фізики Національної академії наук України, Київ, 2006.

Експериментально досліджено широкоапертурні плазмові лінзи зі стаціонарними магнітними полями при фокусуванні сильнострумових (до 0,5 А) імпульсних пучків важких (Сu, Pb) іонів середніх енергій ( 20 кеВ), сформованих багатоапертурним вакуумно-дуговим джерелом, зокрема досліджено лінзу з мінімізованими градіентами магнітного поля. Шляхом вимірювання статичних і динамічних характеристик сфокусованого пучка та параметрів середовища у лінзах визначено основний фактор, який зумовлює обмеження максимального коефіцієнту стискання іонного пучка у діапазоні слабких магнітних полів, досліджено фізичні процеси, що визначають особливості функціонування лінз зі стаціонарними полями та продемонстровано можливість формування електронних вихорів у плазмовій лінзі.

Встановлено, що в діапазоні слабких магнітних полів існують режими, за яких одночасно досягається велика густина струму у фокусі (до 250?390 мА/см2), рівень шумової модуляції не підвищується, а також у межах 50% від повного струму пучка практично не збільшується його емітанс. Визначено, що за цих умов максимальна густина струму у фокусі обмежується початковим фазовим об’ємом пучка, тобто параметрами джерела іонів. Встановлено, що наявність середовища, сформованого самостійним жевріючим розрядом, зумовлює істотне поліпшення фокусуючих властивостей лінзи. Експериментально продемонстровано формування великомасштабних електронних вихорів у плазмовій лінзі за умов присутності значного радіального градієнту густини електронів. Встановлено, що порушення умови поздовжнього утримання призводить до обмеження амплітуди вихорів.

Ключові слова: плазмова лінза, лінза з негативним об'ємним зарядом, плазмооптика, сильнострумові багатоапертурні пучки важких іонів, емітанс, електронні вихори, заряджена плазма.

АННОТАЦИЯ

Чех Ю.Н. Статические и динамические характеристики широкоапертурних плазменных линз со стационарным магнитным полем. - Рукопись. - Диссертация на соискание научной степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.04 - Физическая электроника. Институт физики Национальной академии наук Украины, Киев, 2006.

Экспериментально исследованы широкоапертурные плазменные линзы со стационарными магнитными полями при фокусировке сильноточных (до 0,5 А) импульсных пучков тяжелых ионов (Сu, Pb) средних энергий ( 20 кэВ), сформированных многоапертурным вакуумно-дуговым источником, в частности исследована линза с минимизированными градиентами магнитного поля. Путем измерения статических и динамических характеристик фокусируемого пучка и параметров среды в линзах установлен основной фактор, который определяет ограничение максимального коэффициента сжатия ионного пучка в диапазоне слабых магнитных полей, исследованы физические процессы, которые определяют особенности работы линз со стационарными электрическими и магнитными полями и продемонстрирована возможность формирования электронных вихрей в плазменной среде линзы.

Установлено, что в области слабых магнитных полей существуют режимы, при которых одновременно достигается большая плотность тока в фокусе (до 250?390 мА/см2), степень шумовой модуляции не повышается, а также в пределах 50% полного тока пучка практически не увеличивается его эмиттанс. Выявлена тонкая структура распределения ионов многоапертурного пучка в фазовом пространстве, таким образом установлено сохранение слоистого распределения ионов многоапертурного пучка в двумерном фазовом пространстве при слиянии составляющих его пучков в обычном пространстве. Установлено, что в диапазоне слабых магнитных полей максимальная плотность тока в фокусе ограничивается начальным фазовым объемом пучка, то есть параметрами источника ионов. Определены статические и динамические свойства самостоятельного тлеющего разряда, развивающегося в постоянных электрическом и магнитном полях линз. Установлено, что наличие среды, формируемой разрядом, обуславливает существенное улучшение оптических свойств линзы, а именно: линза работает более устойчиво, позволяет достигать больших плотностей тока в фокусе и быстрее входит в рабочий режим. Экспериментально продемонстрировано формирование крупномасштабных электронных вихрей в плазменной линзе при наличии значительного радиального градиента электронной плотности. Обнаруженные вихри представляют собой локализованные структуры, в которых электроны вращаются с частотой, существенно превышающей как частоту вращения вихрей вокруг оси линзы, так и скорость вращения электронов, не захваченных полями вихрей, вокруг этой оси. Установлено, что нарушение условия продольного удержания приводит к ограничению амплитуды вихрей. Полученные результаты, в частности, сохранение величины эмиттанса, низкий уровень шумовой модуляции пучка, а также высокие коэффициенты сжатия открывают возможность использования плазменных линз в линиях транспортировки сильноточных линейных ускорителей тяжелых ионов. Реализация режимов работы линзы с возбуждением электронных вихрей, в свою очередь, открывает широкие возможности для фундаментальных исследований подобного рода структур в двухкомпонентной ионно-пучковой плазме, состоящей из замагниченных электронов и практически свободных ионов.

Ключевые слова: электростатическая плазменная линза, линза с отрицательным объемным зарядом, плазмооптика, сильноточные многоапертурные пучки тяжелых ионов, эмиттанс, электронные вихри, заряженная плазма.

ABSTRACT

Chekh Yu.M. Static and dynamic characteristics of wide-aperture plasma lenses with permanent magnetic fields. - Manuscript. – Thesis for a candidate of physical-mathematical science degree by specialty 01.04.04 – Physical electronics. Institute of Physics of National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2006.

Wide-aperture plasma lenses with permanent magnetic fields (in particular, the lenses with minimized magnetic field gradients) are investigated at the focusing of the pulsed medium-energy (~ 20 keV) high-current (up to 0,5 А) beams of heavy ions (Сu, Pb), generated by multi-aperture vacuum-arc ion source. Both the static and dynamic characteristics of the focused ion beams, as well as the parameters of the plasma medium in the lenses enable to determine the main factor, which determines the restriction of the maximum compression factor of the ion beams