Источники тяжелых ионов

Источники тяжёлых ионов (ИТИ) представляют собой специализированные устройства, предназначенные для генерации пучков ионов с зарядовым состоянием, пригодным для ускорения в последующих каскадах ускорителя. В отличие от источников лёгких ионов (протонов или дейтронов), где основное внимание уделяется стабильности и плотности тока, источники тяжёлых ионов должны обеспечивать эффективное извлечение и многократную ионизацию атомов элементов с большим атомным номером, а также их инжекцию в линейные ускорители или накопительные кольца.

Основные требования к источникам тяжёлых ионов

  1. Высокая степень ионизации. Для ускорения тяжёлых ядер до релятивистских энергий необходимо обеспечить многократную ионизацию. Например, для урана требуется получение зарядовых состояний U³⁰⁺ и выше.
  2. Достаточный ток пучка. Уровень тока должен удовлетворять потребности ускорителя и детектора. Для современных коллайдеров требуется от десятков микроампер до миллиампер.
  3. Стабильность и воспроизводимость. Пучок должен обладать стабильной интенсивностью, малым разбросом в энергиях и углах вылета.
  4. Длительность работы. Источник должен функционировать в режиме многосуточной эксплуатации без значительных перебоев.
  5. Минимизация загрязнений. Пучок должен содержать как можно меньше примесей, возникающих из материалов конструкционных элементов или остаточных газов.

Методы ионизации тяжёлых атомов

Термическая ионизация

Применяется редко, так как для тяжёлых элементов требуется очень высокая температура для эффективного испарения и ионизации. Используется в специальных источниках для щелочных металлов.

Электронно-ударная ионизация

Основной метод, заключающийся в возбуждении атомов тяжёлого элемента быстрыми электронами. С ростом плотности электронов и времени взаимодействия вероятность многократной ионизации резко возрастает.

Ионизация в плазме

Применяется в устройствах типа ECR (Electron Cyclotron Resonance) и EBIS (Electron Beam Ion Source). Здесь тяжёлые атомы находятся в условиях высокоэнергетической плазмы, что позволяет достигать крайне высоких степеней ионизации.

Типы источников тяжёлых ионов

Дугoвые источники (Penning и Freeman)

  • Основаны на использовании разряда в магнитном поле.
  • Отличаются простотой и надёжностью.
  • Эффективны для низко- и среднезаряженных ионов, но плохо подходят для высоких степеней ионизации.

Источники с циклотронным электронным резонансом (ECR, Electron Cyclotron Resonance)

  • Применяют высокочастотное поле для нагрева электронов в магнитной ловушке.

  • Электроны приобретают энергию десятков кэВ, что обеспечивает многократную ионизацию тяжёлых атомов.

  • Плазма поддерживается микроволновым излучением, частота которого соответствует циклотронной частоте электронов:

    $$ \omega = \frac{eB}{m_e} $$

  • Основные достоинства: возможность получения ионов с зарядовыми состояниями до Xe⁴⁰⁺, стабильность, высокая яркость пучка.

  • Недостатки: относительно невысокий ток (миллиамперы) и сложность аппаратуры.

Источники с ионной ловушкой и электронным пучком (EBIS, Electron Beam Ion Source)

  • Основаны на удержании атомов в электростатической ловушке, где они подвергаются ионизации за счёт взаимодействия с интенсивным электронным пучком.
  • Позволяют получать ионы крайне высоких зарядовых состояний, включая полностью ионизованные атомы тяжёлых элементов (например, U⁹²⁺).
  • Отличаются низкой интенсивностью (обычно микроамперы), но высокой степенью чистоты пучка.
  • Используются в исследовательских ускорителях, где требуется малое количество ионов, но с максимальной степенью ионизации.

Лазерные источники ионов (Laser Ion Sources, LIS)

  • Используют мощное лазерное излучение для испарения мишени и создания плазмы.
  • Лазерный импульс создаёт горячую плазму, содержащую многозаряженные ионы.
  • Преимущества: высокая яркость, широкий диапазон элементов (включая тугоплавкие).
  • Недостатки: импульсный характер работы, необходимость мощных лазерных систем.

Особенности извлечения ионов

Процесс извлечения ионов из источника связан с необходимостью формирования направленного пучка с минимальными потерями. Основные методы:

  • Электростатическое извлечение. Ионы вытягиваются из плазмы электрическим полем с последующей фокусировкой линзами.
  • Магнитная сепарация. Используется для отделения ионов различных зарядовых состояний.
  • Системы охлаждения. На некоторых установках применяются газовые или электронные охладители для уменьшения эмиттанса пучка.

Современные достижения и тенденции

  • Создание высокопроизводительных ECR-источников третьего и четвёртого поколения, работающих на частотах 28–45 ГГц, что позволяет достигать ещё более высоких степеней ионизации.
  • Разработка сверхпроводящих магнитных ловушек, которые повышают стабильность и удержание плазмы.
  • Применение импульсных лазерных источников для задач инжекции тяжёлых ионов в коллайдеры и для генерации ярких пучков в физике плазмы.
  • Интеграция EBIS-источников в комплексы тяжёлых ионных ускорителей для задач ядерной физики и медицины (терапия тяжёлыми ионами).
Оглавление