ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2013, том 39, № 10, с. 883-890
МАГНИТНЫЕ ЛОВУШКИ
УДК 533.9.01;533.951.8;533.9.082.5
ИССЛЕДОВАНИЕ НАКОПЛЕНИЯ ЗАРЯЖЕННОЙ ПЛАЗМЫ В ЛОВУШКЕ С ВРАЩАЮЩИМСЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПОЛЕМ
УСТАНОВКИ LEPTA © 2013 г. М. К. Есеев*, А. Г. Кобец, И. Н. Мешков, А. Ю. Рудаков, С. Л. Яковенко
Объединенный институт ядерных исследований, Дубна, Московская обл., Россия *Северный Арктический федеральный университет им. М.В. Ломоносова, Архангельск, Россия
e-mail: m.eseev@narfu.ru Поступила в редакцию 15.04.2010 г. Окончательный вариант получен 21.02.2013 г.
Представлены результаты экспериментальных исследований накопления заряженной плазмы в устройстве типа ловушки Пеннинга—Малмберга на установке LEPTA. Отмечено резкое увеличение количества накопленных частиц при использовании технологии "вращающейся стенки", т.е. при включении поперечного вращающегося электрического поля в разрезном электроде в области накопления. Изучены условия сжатия поперечных размеров сгустка при использовании "вращающейся стенки" и буферного газа. Определены оптимальные параметры накопления в условиях описываемых экспериментов. Обсуждаются механизмы действия вращающегося поля и буферного газа.
DOI: 10.7868/S036729211310003X
ВВЕДЕНИЕ
Устройства, позволяющие накапливать, удерживать заряженные частицы и формировать из них управляемые сгустки, востребованы в атомной физике, физике ускорителей, масс-спектрометрии, плазменных установках. Часто в этих целях используются открытые ловушки типа ловушки Пеннинга—Малмберга. Сгусток накапливаемых частиц удерживается в поперечном (по отношению к оси ловушки) направлении продольным магнитным полем, а с открытых торцов ловушки — запирающими потенциалами концевых электродов. Это позволяет достаточно просто реализовать возможности инжекции частиц во время накопления и вывода сгустка из ловушки. Заряженный сгусток обладает многими свойствами квазинейтральной низкотемпературной плазмы [1]. Поперечное расталкивание частиц полем пространственного заряда сгустка компенсируется удерживающими полями. В случае накопления частиц антивещества приходится иметь дело с достаточно малой интенсивностью их источников. Поэтому необходимо обеспечить непрерывное поступление частиц в зону накопления. При этом частицы, влетевшие в ловушку, должны быть локализованы в области накопления. Для этого К. Сурко [2] предложил использовать буферный газ с градиентом давления вдоль ловушки. Модифицированная таким образом ловушка получила название ловушки Сурко. Позднее появился еще один метод увеличения эффективности накопления: увеличение времени жиз-
ни заряженной плазмы во вращающемся электрическом поле. Этот эффект "вращающейся стенки" ("rotating wall" — RW) был обнаружен в экспериментах по накоплению плазменного сгустка ионов Mg+ [3]. Затем аналогичные результаты были получены как для электронной, так и для позитронной плазмы [4, 5]. Метод вращающегося поля используется для генерации антиводорода в проекте ATHENA/ALPHA [6]. Успешное использование этого метода позволило приступить к исследованию свойств антивещества и экзотических атомно-молекулярных систем [7—9]. Определяющим при накоплении здесь являются частота и направление вращения поля в плоскости, поперечной к оси ловушки. Зависимость эффективности накопления от параметров RW-по-ля носит резонансный характер. Механизм действия вращающегося поля на сгусток до сих пор не имеет ясного объяснения, что отмечается в работах [10, 11]. В наших экспериментах на установке LEPTA (Low Energy Particle Toroidal Accumulator, ОИЯИ, Дубна) используется ловушка Сурко с вращающимся электрическим полем. Накопленные в ней позитроны инжектируются в накопительное кольцо для дальнейших исследований физики элементарных частиц и экзотических атомов [12, 13]. Цель наших экспериментов по накоплению заряженных частиц в ловушке — поиск оптимальных методик и параметров накопления, экспериментальная проверка возможных механизмов сжатия сгустка частиц во вращающемся электрическом поле.
2000 мм
Рис. 1. Схема ловушки Сурко установки ЬБРТЛ. I — VIII — электроды, 1 — соленоид, 2 — вакуумные посты.
и
Г-
Участок 1
Участок 2
V
Участок 3
Давление буферного газа, Торр
10-
N2 N2
II
10-
_хг
"и.
III
10-
IV V VI VII
Рис. 2. Распределение запирающего потенциала (для случая накопления позитронов) на оси камеры и давление буферного газа.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Ловушка Сурко установки ЬБРТЛ имеет геометрию [14], показанную на рис. 1. Сборка электродов помещена в цилиндрическую вакуумную камеру. Камера расположена в соленоиде, создающем продольное магнитное поле. На торцах камеры расположены вакуумные насосы, которые обеспечивают дифференциальную откачку. Это необходимо как для удаления остаточного газа, сокращающего время жизни частиц в ловушке, так и для создания градиента давления буферного газа (рис. 2). Последнее достигается благодаря специальной геометрии электродов: восемь изолированных друг от друга цилиндрических электродов, различной длины и диаметра. Газ натекает в систему через отверстие в середине электрода II, а его откачка осуществляется с торцов электродов I и VIII. В результате для накопления позитронов между участками захвата 1, 2 и участком накопления 3 создается перепад давления. Позитроны захватываются в ловушку и охлаждаются за
счет неупругих столкновений с молекулами азота. Давление подобрано таким образом, чтобы позитрон из источника, пролетая внутри электрода II, испытывал в среднем одно неупругое столкновение. Теряя энергию на соударение, он уже не может преодолеть потенциал электрода I и покинуть ловушку. Последующие неупругие столкновения приводят к запиранию позитрона в потенциальной яме участка 3. Энергия позитронов на входе в ловушку и потенциалы электродов выбраны так (рис. 2), что на участке 3 в области накопления позитроны обладают энергией порядка 1 эВ. Далее позитроны теряют энергию в результате возбуждения ротационных и вибрационных мод молекул буферного газа и охлаждаются до комнатной температуры (~0.026 эВ). Процесс накопления длится до установления равновесия между поступлением позитронов из источника и их аннигиляцией на остаточном газе и диффузией на стенки камеры. Давление азота и потенциалы ловушки определяют эффективную энергию позитронов и играют критическую роль в эффектив-
+
е
Типичные значения параметров ловушки при накоплении
Параметр Интервал изменений Пояснение
В, Гс 0-1200 Продольное магнитное поле
юс, с-1 0-2 х 1010 Циклотронная частота
Щ, В 0-10 Глубина потенциальной ямы в области накопления с учетом поля пространственного заряда сгустка заряженных частиц
Р, Торр 10-8—5 х 10-6 Давление в области накопления с учетом напуска буферного газа N
Е^ В/см 0-0.2 Амплитуда Я^-поля
/RW, кГц 0-±1400 Частота вращения Я^-поля, знак указывает на направление вращения по отношению к направлению магнетронного вращения сгустка
Я0, см 10 Радиус электродов ^-^П в области накопления
Ь0, см 16.5-72 Длина электродов в области накопления
п, см-3 0-108 Концентрации накопленных частиц
юр, с-1 0-2 х 108 Плазменная частота
Я, см 0.25-3 Радиус поперечного среза накопленного сгустка
Ь, см 12-65 Длина накопленного сгустка
ности процесса накопления. Выбор азота в качестве буферного газа объясняется малыми сечениями аннигиляции позитронов в данном газе при типичных для эксперимента значениях энергии частиц. С целью исследования влияния вращающегося электрического поля на эффективность накопления частиц один из электродов ловушки (электрод IV) изготовлен в виде четырех изолированных сегментов. На каждый сегмент подается переменное напряжение в виде синусоиды одинаковой частоты и амплитуды, сдвинутое по фазе на 90 градусов относительно соседнего сегмента. Этим достигается вращение электрического поля в плоскости, перпендикулярной оси ловушки. Типичные значения изменяемых параметров и характеристики сгустка накопленных частиц в нашем эксперименте приведены в таблице.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ПО НАКОЛЕНИЮ ЭЛЕКТРОНОВ В ЛОВУШКЕ
Эффект сжатия сгустка под действием ЯЖ-по-ля не зависит от знака заряда накапливаемых частиц. В 2009—2011 гг. эксперименты по накоплению проводились на электронах. Совершенствование методики получения монохроматичного потока позитронов в источнике с использованием радиоактивного 22Ма и улучшение вакуумных условий позволили позднее накопить в ловушке позитроны и инжектировать их в накопительное кольцо установки [15]. Экспери-
ментальные результаты с позитронами представлены в следующем разделе. В проведенных экспериментах с электронами найдены оптимальные режимы работы ловушки Сурко с ЯЖ-полем. По заряду накопленных частиц, сброшенных на коллектор, определялось их количество.
Производя сброс в фиксированные моменты времени, можно измерять зависимость количества накопленных частиц от времени. Были найдены оптимальные значения давления буферного газа (2 х 10-6 Торр на участке 3), величины магнитного поля (1200 Гс), направления, частоты и амплитуды (0.5 В) ЯЖ-поля. В частности было отмечено, что существует резонансная частота
N 107
2200 400 600 800 1000
^ кГц
Рис. 3. Зависимость числа накопленных частиц (электронов) в сгустке от частоты Я^-поля при оптимальных параметрах: Р = 2 х 10-6 Торр, В = 1200 Гс.
N, 7
6
5
4
3
2
1
107
RWf on B = 130G, ton off = 80s
250 t, с
Рис. 4. Динамика процесса накопления при включении-выключении ЛЖ-поля. Кривая с квадратиками — после 80 с накопления с вращающимся полем поле было отключено. Кривая с ромбиками — через 80 с накопления без вращающегося поля поле было включено. Кривая с прямоугольниками — ЛЖ-поля действовало все время накопления.
RW-поля, при которой зафиксировано существенное увеличение времени жизни и количества частиц в сгустке в нашей ловушке: fRW ~ 650 кГц (рис. 3). Аналогичная зависимость отмечена в работах [3—5]. Однако у наших экспериментов есть существенные особенности, рассмотренные ниже. Роль RW-поля особенно заметна в динамических экспериментах по накоплению, когда RW-поле включалось или выключалось в процессе накопления. Сброс сгустка на коллектор производился, именно когда
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.