Задача формирования интенсивных пучков легких ионов высокого качества является актуальной на данный момент. В основном такие пучки применяются для инжекции в ускорители. Рассмотрим некоторые примеры актуальных достижений в разработке ионных инжекторов. Источник для проекта FRANZ [1] формирует протонный пучок с током 100 мА, энергией 95 кэВ и нормализованным среднеквадратичным эмиттансом 0.25 π мм мрад. Также для установки IFMIF [2] был получен пучок ионов дейтерия с током 140 мА, энергией 100 кэВ и нормализованным среднеквадратичным эмиттансом 0.2 π мм мрад. При этом средняя плотность потока плазмы в области экстракции не первышала 200 мА/см2. В качестве источника плазмы в этих случаях выступает ЭЦР разряд с нагревом на частоте 2.45 ГГц при вкладываемой мощности в несколько кВт. Источники данного типа зарекомендовали себя как надежные установки, отличающиеся стабильной и долгосрочной работой. Основное ограничение данных ионных инижекторов — умеренная плотность потока плазмы, что приводит к использованию плазменных электродов с большой апертурой (около 1 см в диаметре) для получения пучка с высоким током. Улучшение характеристик ионных инжекторов возможно за счет повышения плотности потока плазмы. При этом предпочтение отдается сохранению частоты греющего излучения на прежнем уровне. Соответственно проводятся исследования нагрева плазмы в режимах, когда концентрация превышает критическое значение для греющей частоты [3].
Другим методом повышения концентрации является использование для нагрева плазмы излучения с большей частотой и мощностью. В этой парадигме был разработан газодинамический ионный источник GISMO (Gasdynamic Ion Source for Multipurpose Operation). Для нагрева плазмы в нем используется излучение гиротрона [4] с частотой 28 ГГц и мощностью до 10 кВт. Относительно небольшой объем плазмы обеспечивает высокий удельный энерговклад (на уровне 250 Вт/см3). Это позволяет извлекать ионные пучки с начальной плотностью тока более 1 А/см2 [5].
Данная работа посвящена разработке систем, способных извлекать пучки с плотностью тока порядка 1 А/см2, а также исследованию режимов их работы при различных внешних условиях (давление напускаемого газа, мощность СВЧ излучения, геометрия экстрактора). Ионный пучок извлекался из плазмы с использованием двухэлектродной системы экстракции, а его ток измерялся с помощью цилиндра Фарадея.
Авторы
Выбин С.С., Изотов И.В., Скалыга В.А., Киселёва Е.М., Поляков А.В., Боханов А.Ф.
Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук, г. Нижний Новгород, Россия