Донец Е.Д. Источник "КРИОН" и его развитие

Ионный источник «КРИОН» и его развитие
Е. Д. Донец
ОИЯИ, Лаборатория высоких энергий
им. В. И. Векслера и А. М. Балдина
План изложения
•
•
•
•
•
1. Краткое введение
2. Немного истории
3. Состояние дел на сегодня
4. Возможные направления развития
5. Заключение
Непосредственные участники работ
Аксенов В.Г., Альперт В.А., Вадеев В.П.,
Горская Е.Г., Гудков С.В., Донец Д.Е.,
Донец Е.Е., Илющенко В.И., Карташев
С.В., Кутузова Л.В., Маляренко А.С.,
Мончинская Н.В., Овсянников В.П.,
Пикин А.И., Сальников В.В., Соловьев
В.Н., Степанюк В.Л.,Суслов А.П.,
Туманова Ю.А., Тутин Г.А.(РИАН),
Чернышов Н.И., Шишов Ю.А., Шутов
В.Б.
Крион- Криогенный
ионизатор
1971. Изготовление одного из первых в мире (возможно
первого) сверхпроводящего соленоида для работы в
составе ускорительного комплекса.
1972
На источнике Крион получен ионный пучок
1975
Эволюции спектров зарядностей углерода, кислорода и
неона
1976 (март)
Начало использования источника Крион на
синхрофазотроне для ускорения ядер C, N, O и Ne
1977
Создан метод измерения сечений ионизации
положительных ионов электронным ударом
1985
Обнаружение сверхвозбужденных атомов и ионов.
Создан метод измерния энергии связи электронов в
высокозарядных ионах
Источник Крион сегодня
EBIS
-
+
13
Q = Q = 10 Ie L /
1/2
Ee ,
Q in elementary charges,
Ie in A,
L in m,
Ee in V.
For example: I=1 A, L=1 m, Ee=10000 V,
P = 10 kW.
11
Q = 10 el.ch. = 15 nC.
Q-(e-зар.)
Грубая сила
1011
10 KW
1012
200 KW
1013
5000 KW
Другой подход
?
1994
EBIS in the electron reflex mode of operation
Экспериментальные условия: Bmax = 3.3 T;
Вакуум P < 10-12 Тор.
0.2 mm
1 mm
3 mm
Температура трубки дрейфа 4.2 К
Полная длина
структуры дрейфа 1.2 м
ТРУБКА ДРЕЙФА
-Q
-Q
-Q
R
-Q
t
-Q
НАВЕДЕННЫЙ ТОК ЧЕРЕЗ РЕЗИСТОР
1
electron inj. current 5 μА
Accumul. current (0.1 mA/div)
Time of accumulation (5.0 us/div)
1
2
electron inj. current 50 μА
Time of accumulation (5.0 us/div)
Accumul. current (0.1 mA/div)
Обнаружен феномен электронной струны
Accumul. current (0.2 mA/div)
Accumul. current (0.1 mA/div)
1994.
1
2
electron inj. current 20 μА
Time of accumulation (5.0 us/div)
2
3
1
electron inj. current 500 μА
Time of accumulation (2.0 us/div)
Измерено методом контролируемого распада эл. струны
Метод
радиационного
захвата эл-нов
струны
a
b
σ,
ar.u
3.0
Ee inj
Ee str
2.0
0
2S, 2P
1.0
1S
0.0
1.0
Ar17+
c
nX
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0 keV, Ee
d
ne
250
300
200
150
200
100
100
50
0
0
140
160
180
200, ch
7.0
8.0
9.0
keV, Ex
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5 keV, Ee
Распределение
кинетической
энергии эл-нов
струны при
энергии инжекции
5.4 KeV
1. Электронная струна – это обнаруженное в ЛВЭ ОИЯИ
стационарное состояние высокотемпературной
однокомпонентной электронной плазмы, удерживаемой
сильным магнитным и слабым электрическим полями.
2. Состояние электронной струны квазистабильное и
спокойное в достаточно широких пределах параметров,
так что она может использоваться для удержания
положительных ионов и доведения их до высоких
зарядовых состояний за счет обдирки орбитальных
электронов электронами струны.
3. Электронно-струнный ионный источник был разработан в
ЛВЭ и применен на нуклотроне для ускорения Ar16+ и
Fe24+ .
Transition to the
electron string
state, detected
by means of
observation of
the change in
the pulse ion
current
produced.
(1996)
Charge state distribution of Ar ions after 500 ms confinement
in an electron string space.
IAr16+ = 200 μA in 8 μs
Charge state distribution of Fe ions after 1100 ms confinement in
space of an electron string.
IFe24+ = 150 μA in 8 μs
Ускорительные комплексы ионов тяжелых
элементов высоких энергий
1. RHIC (BNL):
a) Au1- б) Au32+
2. LHC (CERN)
Pb28+
3. Нуклотрон (ОИЯИ)
Au65+, 69+
4. NICA (ОИЯИ)
5. GSI
6. RIKEN
а) Au30+,32+ б) Au51+
79+
Ee (эВ)
105
69+
77+
104
32+
24+
51+
103
102
101
1018
1019
1020
1021
1022
1023
j τ (см-2)
Энергии электронов и значения фактора ионизации,
необходимые для получения ионов Au указанных
зарядностей
TOF spectra just after Au injection
Au TOF spectra, mean q Au = 50.2+
Au50.2+
Ti = 700 ms
Mean Au ion charge vs ionization time
60
Ni ~ 4-5*107 ион/имп
q+
50
40
Eeinj=4.4KeV
30
Eeinj=3,7KeV
20
10
t ion [ms]
0
0
500
1000
1500
1975
Эволюции спектров зарядностей углерода, кислорода и
неона
Au TOF spectra, mean q Au = 50.2+
Au50.2+
Au TOF spectra, mean q Au = 50.2+
Au50.2+
Au TOF spectra, mean q Au = 50.2+
Au50.2+
Au TOF spectra, mean q Au = 50.2+
Au50.2+
Au ions yield vs ion cooling time
arb.units
160
140
120
100
80
60
40
tion=700ms, mean Au 50.2+
20
tion=1000ms, mean Au 50.9+
Tcooling [ms]
0
0
200
400
600
800
1000
Спектр зарядностей ионов золота при времени
удержания 1100 мс в электронной струне при
включенном ион-ионном охлаждении.
Νi ∼ 2−3∗108 ион/имп
Αu50.9+
1050/ 1100
79+
Ee (эВ)
105
69+
77+
104
32+
24+
51+
!
103
102
101
1018
1019
1020
1021
1022
1023
j τ (см-2)
Энергии электронов и значения фактора ионизации,
необходимые для получения ионов Au указанных
зарядностей
Q-
2002
nC
22
Q- = aB3 = aB3
Q-,Q+
20
B = 3.3 T
18
Q- = 10 nC
B = 6.0 T Q- = 50 nC
16
= 3.0 1011 e.ch.
14
B = 9.0 T
12
Q- = 150 nC
B = 12.0 T Q- = 450 nC
10
= 2.8 1012 e.ch.
8
6
4
2
0
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0 T,
B
Dependency of a number of string electrons on
solenoid magnetic field ( 1 m string )
В настоящее время разрабатывается идея
формирования трубчатой электронной
струны.
В случае успеха для трубчатого электроннострунного ионного источника увеличение
эффективности ионизации и выхода
высокозарядных ионов может составить
100-1000 раз по сравнению с ионным
источником, основанным на линейной
электронной струне.
Tubular electron string (painting)
Off-axis ion extraction from tubular electron string (painting)
3D-simulation of the off-axis ion extraction from a tubular string
Q-(e-ch./m)
EBIS
ESIS/TESIS
1011
10 KW
50 W
1012
200 KW
200 W
1013
5000 KW
2 KW
1014
20 KW
1015
200 KW
Электронная пушка с кольцевым эл. эмиттером
Внутренний и внешний фальш-катоды
Внутренний и внешний аноды
Внутренний и внешний фок. эл-ды
Электронная пушка с 8 точечными эмиттерами
Фальш-катод
Внутренний и внешний аноды
Внутренний и внешний фок. электроды
Electron reflector for the case of the gun with 8 electron
emitters
Electron repeller
Orifices for e-beam
collection
Inner and outer focusing electrodes
Inner and outer anodes
e-emitter 1
Ie r.
Ie c.
Edrift, θdrift
4.5 mm
e-emitter 1
5.2 mm
Ie c.
Edrift, θdrift
e-emitter 1
Ie c.
with 2 reflexes
Edrift, θdrift
without reflex
Заключение
1.
1. Источник высокозарядных ионов «Крион» представляет собой
уникальный инструмент, с помощью которого в области атомной физики,
физики заряженной плазмы и ускорительной техники получены и
получаются результаты выше или значительно выше мирового уровня.
2.
Для ускорения ионов золота на существующем ускорительном комплексе
«Нуклотрон» необходимо обеспечить от ионного источника пучки ионов с
зарядностью не менее 65+. Если пытаться решать эту задачу с
помощью источника типа «Крион», в начале необходимо
выполнить программу R&D, включающую создание стендового
«Крион-6Т», получения В-зависимости в области 3-6 Т и
дальнейшие исследования феномена электронной струны.
3.
Для проекта NICA необходимы пучки ионов золота Au30+ или Au51+.
Пучки таких ионов получаются на существующем источнике «Крион»,
однако их интенсивности существенно ниже требуемых. Возможность
использования здесь источника типа «Крион», может быть
определена лишь после выполнения программы R&D,
включающей создание стендовх «Крион-6Т» и «Крион-ТС»,
получения В-зависимости в области 3-6 Т и дальнейшие
исследования феномена электронной струны.
Спасибо за
внимание!
5 μA electron current injected
Electron current accumulated
Injection electron current: 5 μA
50 μA electron current injected
Electron current
accumulated
Electron current
ejected
Injection electron current: 50 μA
500 μA electron current injected
Electron current
accumulated
Injection electron current: 500 μA
1. «Крион-2»: B≤ 3.3 Т, electron energy Ee ≤ 8 кэВ.
Fe24+,
Ion beam
Au30+,
Au51+, (ion-ion
experiment
(U30+)
cooling ?).
Ion yeild/
pulse, Ni
5×108
1×108
1×108
Ion yield depennds on R&D rezults:
2. New source «Krion-6Тс»: B ≤ 6 Т, Ee = 2.5×104 эВ.
Ion beam
Au30+ (U30+)
Au51+ (ion-ion cooling
∝B
∝ B2
∝ B3
Au65+ ÷ Au69+ (ion-ion
cooling)
Ne/i
Ne/i
Ne/i
∝B
∝ B2
∝ B3
2×
108
4×
108
8×
108
1.5×
108
?)
Dependen.
N ver. B
Ion
yield/
pulse, Ni
Ne/i
1×10
Ne/i
Ne/i
∝B
∝ B2
9
2×10
Ne/i
∝ B3
9
4×10
9
Ne/i
Ne/i
3. New «Krion-12Т»: B= 12.0 Т, Ee = 1.25×105 эВ.
Ion Beam
Au30+ (U30+)
Au51+ (ion-ion cooling
?)
N ver. B
Ion yield
/ pulse,
Ni
3×
108
6×
108
Au65+ ÷ Au69+ ( ion-ion
cooling)
Ne/i
∝B
Ne/i
∝ B2
Ne/i
∝ B3
Ne/i
∝B
Ne/i
∝ B2
Ne/i
∝ B3
2×
109
8×
109
3.2×
1010
4×
108
1.6×
109
6.4×
109
Ne/i
∝B
3×
108
Ne/i
∝ B2
Ne/i
∝ B3
1.2×
109
4.8×
109