Анотація до роботи:

Медведєв Д.В. “ Прискорення іонів полем просторового заряду сильнострумового релятивістського електронного пучка з інжекцією плазми та модуляцією просторового-періодичним магнітним полем ”.– Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за фахом 01.04.20 – фізика пучків заряджених частинок. – Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут», Харків, 2008.

Споруджено експериментальний стенд колективного прискорювача іонів, що складається з сильнострумового імпульсного електронного прискорювача, що базується на магніто-ізольованому діоді й генерує трубчастий сильнострумовий релятивістський електронний пучок (СРЕП), з системи плазмових гармат для зовнішньої інжекції плазми в область віртуального катоду та з просторово-періодичного магнітного поля, призначеного для просторової модуляції СРЕП. Отримане прискорення іонів плазми електричним полем віртуального катоду, потік яких слугує інжектором в основну секцію, де прискорення здійснюється хвилею просторового заряду, що виникає при модуляції СРЕП у часі і в просторі. Часова модуляція СРЕП (частота 46 МГц і глибина 10 %) здійснюється віртуальним катодом, електричне поле якого осцилює в часі при періодичній компенсації об’ємного заряду іонами інжектованої плазми. Модуляція СРЕП у просторі (період 6 см і глибина 12 %) відбувається при його транспортуванні в зовнішньому просторово-періодичному магнітному полі. Параметри іонного пучка, прискореного полем віртуального катоду: енергія 490 кеВ, струм 200 А, щільність потоку іонів (5,1-7,2)10⁷ cм^-2, тривалість імпульсу 50 нс, іони займають всю область трубчастого СРЕП. Параметри пучка іонів, доприскорених в основній секції полем хвилі просторового заряду СРЕП: енергія 1500 кеВ, струм 30 А, тривалість імпульсу 40 нсек. При цьому збільшення числа періодів просторової модуляції з 6 до 9, приводить до зростання енергії іонів з 680 кеВ до 1500 кеВ, тобто енергія зростає пропорційно довжині прискорення.

Метою дисертаційної роботи ставилось експериментальне дослідження процесу колективного прискорення іонів у полі віртуального катоду (ВК) при зовнішній інжекції плазми та колективного прискорення іонів хвилями щільності зарядів сильнострумового релятивістського електронного пучка (СРЕП), підданого низькочастотній часовій модуляції полем осцилюючого ВК і просторовій модуляції при транспортуванні СРЕП у зовнішньому просторово-періодичному магнітному полі. Експериментальні дослідження колективного методу прискорення іонів проведені на спорудженому для цього експериментальному стенді, що складається з модернізованого сильнострумового імпульсного електронного прискорювача, базованому на магніто-ізольованому діоді, який генерував трубчастий СРЕП з параметрами: енергія 210 кеВ, струм 4,4 кА, тривалість імпульсу 0,8 мкс, діаметр 32 мм, товщина трубки 1,5 мм, та з просторово-періодичного магнітного поля з індукцією 1,33 Тл, довжиною періоду 6 см і глибиною модуляції 30 %, призначеного для просторово-періодичної модуляції РЕП.

Отримані в роботі наукові і практичні результати дозволяють зробити наступні висновки:

1. Різке збільшення діаметру електродинамічної структури з 41 мм до 50 мм, так щоб струм СРЕП в розширеній частині структури перевищував граничний вакуумний струм, призводить до локалізації ВК у фіксованому місці, куди за схемою експерименту необхідно інжектувати зовнішню плазму.

2. Радіальна інжекція зовнішньої плазми з 4 плазмових гармат, розміщених симетрично по периметру камери дрейфу в області формування ВК, дозволяє створити плазмовий анод з густиною плазми 210¹³ см^-3, необхідної для здійснення часової модуляції струму РЕП та забезпечення інжекції іонів заданого сорту в колективний іонний прискорювач.

3. Електричне поле ВК, низькочастотна модуляція якого обумовлена періодичною компенсацією просторового заряду ВК іонами інжектованої плазми, модулює СРЕП у часі – частота й глибина модуляції 46 МГц і 10 %, відповідно.

4. В електричному полі ВК, динаміка якого обумовлена інжекцією зовнішньої плазми, іони плазми прискорюються і формують іонний пучок (I-а секція колективного прискорювача іонів), який має наступні параметри: енергія 0,54±0,06 МеВ, струм 160 А, щільність іонів 6,310⁶ см^-3 , густина потоку іонів (5,6±0,5)10⁷ часток/см², тривалість імпульсу 80 нс, іони займають всю область трубчастого СРЕП.

5. При транспортуванні трубчастого СРЕП у зовнішньому просторово-періодичному магнітному полі він зазнає просторової модуляції, що визначається, крім параметрів РЕП, глибиною та періодом модуляції магнітного поля. Отримана наступна просторо-періодична модуляція СРЕП, який використовується в експерименті, – період і глибина модуляції 6см і 12 %, відповідно.

6. Полем хвилі просторового заряду СРЕП, промодульованого у часі полем осцилюючого ВК і у просторі просторово-періодичним магнітним полем, іони доприскорюються (II-а секція колективного іонного прискорювача), так що параметри іонного пучка становлять: енергія 680 кeВ, струм важких іонів 20 А, тривалість імпульсу 50 нс.

7. Ядерна реакція ¹¹B(p,a)⁸Be з використанням її резонансу на 162,8 кеВ забезпечує визначення інтенсивності та енергетичного спектру прискорених протонів у колективному іонному прискорювачі. Розроблений в дисертації на базі цієї реакції ядерно-фізичний метод дозволив виміряти щільність треків a-частинок (310⁴ треків/см²) та їх діаметр (6,5 мкм), а отже за перетином реакції -інтенсивність пучка протонів (30 А) та енергію протонів (300 кеВ). Однаковий діаметр отриманих в експерименті треків свідчить про моноенергетичність прискорених протонів.

8. Подвоєння довжини другої секції (збільшення числа періодів просторової модуляції з 6 до 9) приводить до зростання енергії іонів з 680 keВ до 1,5 МеВ, тобто зростання енергії пропорційне довжині прискорення, що свідчить про наявність черенковського резонансу іонів з хвилею просторового заряду. Це дозволяє отримати велику енергію при відповідному збільшенні довжини прискорення. Враховуючи значно вищий темп прискорення в колективному прискорювачі, необхідна довжина прискорювача виявляється суттєво меншою порівняно з класичними лінійними резонансними прискорювачами.

Публікації автора:

1. Chupikov P.T. Experimental investigations of interaction of supercritical electron beams with plasma / P.T. Chupikov, D.V. Medvedev, I.N. Onishenko, B.D. Panasenko, Yu.V. Prokopenko, S.S. Pushkarev, P.J. Faehl, A.M. Yegorov // Problems of Atomic Science and Tehnology.- Series: Plasma Physics (7).- 2002.- №.4.- P 132-134.

2. Chupikov P.T. Low-frequency REB modulation and acceleration of ions in a supercritical mode during plasma injection / P.T. Chupikov, D.V. Medvedev, I.N. Onishenko, B.D. Panasenko, Yu.V. Prokopenko, S.S. Pushkarev, P.J. Faehl, A.M. Yegorov // Problems of Atomic Science and Tehnology.- Series:Nuclear Physics Investigations, 2004, No.1(42), P. 32-34.

3. Chupikov P.T. Measurement of distribution function of REB, used in collective ion accelerator / P.T. Chupikov, D.V. Medvedev, I.N. Onishenko, B.D. Panasenko, Yu.V. Prokopenko, S.S. Pushkarev // Problems of Atomic Science and Tehnology.- Series:Nuclear Physics Investigations, 2004, No.1(42), P. 38-40.

4. Chupikov P.T. Ions acceleration in a temporary and spatially modulated intense REB / P.T. Chupikov, D.V. Medvedev, I.N. Onischenko, Yu.V. Prokopenko, S.S. Pushkarev, B.D. Panasenko, A.M. Egorov // Problems of Atomic Science and Tehnology.- Series: Plasma Electronics and New Methods of Acceleration. 2004, No.4, P. 113-117.

5. Kopiychenko D. Yu. Formation of Periodical Magnetic fields by sequence of rings with different electric and magnetic properties / D. Yu. Kopiychenko I.N. Onischenko, G.V. Sotnikov, Yu. V Prokopenko, P.T. Chupikov, D.V. Medvedev, S.S. Pushkarev // Problems of Atomic Science and Tehnology.- Series: Plasma Electronics and New Methods of Acceleration. 2004, No.4, P. 118-123.

6. Dikiy N.P. Development of nuclear diagnosing proton beam in collective ion accelerator / N.P. DikiyN.P, D.V. Medvedev , I.N. Onishchenko, S.S. Pushkarev // Problems of Atomic Science and Tehnology.- Series:Nuclear Physics Investigations, 2006. No.2(46).- P. 46-48.

7. Дикий М.П. Ядерно-фізична діагностика протонів у колективному прискорювачі іонів / М.П. Дикий, Д.В. Медведєв, І.М. Онищенко, С.С. Пушкарьов // Вісник Харківського університету. Серія фізична «Ядра, частинки, поля». – № 746. – В.4(32). – 2006. – С. 91-94.

8. Medvedev D.V. Ion acceleration in plasma injected into spatiotemporally modulated supercritical relativistic electron beam / D.V. Medvedev, I.N. Onishchenko, B.D. Panasenko, Yu.V. Prokopenko S.S. Pushkarev, P.T. Chupikov // Technical Physics Letters, 2008, Vol. 34, No. 9, pp. 789-791.

9. Chupikov P.T. Аcceleration of ions in a high-current reb at external injection of plasma / N.P. Dikij, D.V. Medvedev, I.N. Onishchenko, Yu.V. Prokopenko, S.S. Pushkarev // Ukr. J. Phys. 2008. V. 53, N 7, P.640-644.

10. Залюбовский И.И. Диагностика интенсивных протонных пучков на основе ядерной реакции ¹¹B(p,a)⁸Be / И.И. Залюбовский, Н.П. Дикий, Д.В. Медведев, И.Д. Федорец // Доповіді НАН України, 2008, №6, с.75-79.

11. Onishchenko I.N. Collective Ion Accelerator Based on Temporary and Spatially Modulated Intense REB / I.N.Onischenko, V.A. Balakirev, P.T.Chupikov, P.J.Faehl, D.V.Medvedev, P. Markov, N.I. Onischenko, B.D. Panasenko, Yu.V. Prokopenko, S.S. Pushkarev // Proc. of 15th International Conference on High-Power Particle Beams (BEAMS’2004), St. Petersburg, Russia, July 18-23, 2004 p. 86-89.

12. Chupikov P.T. Low frequency REB modulation and acceleration of ions in a supercritical regime at plasma injection / P.T. Chupikov, D.V. Medvedev, I.N. Onishchenko, N.I. Onishchenko, B.D. Panasenko, Yu.V. Prokopenko, S.S. Pushkarev, R.J. Faehl^*, A.M. Yegorov // Тезисы XVIII Межд. семинара по ускорителям заряженных частиц, 1-6 сентября 2003, Алушта, Крым, c. 39.

13. Chupikov P.T. Measurement of distribution function of REB, used in collective ion accelerator / P.T. Chupikov, D.V. Medvedev, I.N. Onishchenko, B.D. Panasenko, Yu.V. Prokopenko, S.S. Pushkarev // Тезисы XVIII Межд. семинара по ускорителям заряженных частиц, 1-6 сентября 2003, Алушта, Крым, c. 50.

14. Chupikov P.T. Ion Acceleration by Virtyal Cathode at Plasma injection P.T. Chupikov, D.V. Medvedev, I.N. Onischenko, N.I. Onischenko, B.D. Panasenko, Yu.V. Prokopenko, S.S. Pushkarev, P.J. Faehl, A.M. Yеgorov // Abstracts of the 31^th IEEE International Conference on Plasma Science ICOPS, June 28-July 1, 2004, Baltimore, Maryland, USA, p.284.

15. Медведев Д.В. Использование ядерных реакций для регистрации импульсных пучков заряженных частиц / Д.В. Медведев // Международная школа молодых ученых по ядерной физике и энергетике. Алушта, Украина, 12-18 июня 2005. Тезисы докладов, с.5.

16. Дикий Н.П. Использование ядерных реакций для регистрации импульсных пучков заряженных частиц / Н.П. Дикий, Д.В. Медведев, И.Н. Онищенко, С.С. Пушкарев // XIX Межд. Семинар по ускорителям заряженных частиц. Алушта, Крым, 12-18 сентября 2005. Тезисы докладов, с.37-38.

17. Дикий Н.П. Использование ядерной реакции ¹¹В(р,a)Ве⁸ для детектирования протонов в исследованиях коллективного метода ускорения / Н.П. Дикий, Д.В. Медведев, И.Н. Онищенко, С.С. Пушкарев // Тезисы докладов V конф. по физике высоких энергий, ядерной физике и ускорителям (26 февраля-2 марта 2007, Харьков), с.82.

18. Dikiy N.P. Use of reaction ¹¹В(р,a)Ве⁸ for detection of protons in the collective accelerator of ions / N.P. Dikiy, D.V. Medvedev, I.N. Onischenko, S.S. Pushkarev // LVII International conference on nuclear physics “NUCLEUS 2007” Fundamental problems of nuclear physics, atomic power engineering and nuclear technologies. Book of abstracts, June 25-29, 2007, Voronezh, Russia, p.292.