Сильноточный инжектор ионов водорода нового поколения для современных ускорителей

Одним из ключевых элементов современных ускорителей частиц являются инжекторы на основе различных источников ионов. По мере совершенствования ускорительных систем растут и требования к инжекторам ионов, требуются пучки со все большим током и меньшим эмиттансом. Современные достижения в области линейных ускорителей позволяют создавать комплексы, способные ускорять пучки протонов и дейтронов с током до нескольких сотен мА, что, в свою очередь, открывает широкие перспективы, например, по созданию нейтронных источников с интенсивностью нейтронного потока, сравнимой или даже превышающей уровень ядерных реакторов. Так, один из наиболее амбициозных ускорительных проектов, находящихся в стадии реализации, “The International Fusion Materials Irradiation Facility” (“IFMIF”), для бомбардировки мишени из жидкого лития будет использовать пучки дейтронов с суммарным током на мишени 250 мА и энергией 40 МэВ, разогнанные двумя радиочастотными квадрупольными (RFQ) ускорителями. В качестве инжекторов планируется использование двух источников “LIPAc-ECR” (Linear IFMIF Prototype Accelerator ECR ion source) способных генерировать ионный ток на уровне 170 мА, в том числе до 140 мА ионов дейтерия при эмиттансе 0.22 pi*мм*мрад. Другим масштабным проектом, требующим разработки новых инжекторов, является “ISIS-II” - модернизация “ISIS”, одного из первых ускорительных источников нейтронов испарительного типа. В этом проекте требуется источник протонов с током не менее 250 мА с энергией в диапазоне 50-80 кэВ, и нормализованным эмиттансом не выше 0.25 pi*мм*мрад. В рамках предлагаемого проекта будут проведены исследования, направленные на создание источника ионов изотопов водорода нового поколения, удовлетворяющего всем требованиям крупных современных ускорителей по параметрам ток и эмиттанс пучка, и позволяющего за счет низкого содержания примесей на уровне менее 1% осуществлять прямую инжекцию ионного пучка в ускоритель без предварительной сепарации. В существующих системах при инжекции пучка в ускоритель используется система, сепарирующая инжектируемый пучок от нежелательных компонентов (примеси и молекулярные ионы), которые при попадании на стенки ускорителя могут вывести его из строя. При этом в системе сепарации неизбежно происходит увеличение эмиттанса пучка и, часто, заметные потери тока. В основе проекта лежат исследования импульсного ЭЦР источника ионов на основе разряда, поддерживаемого мощным излучением гиротрона миллиметрового диапазона длин волн (мощность на уровне 100 кВт с длительностью импульса 1 мс) в открытой магнитной ловушке. Использование мощного излучения гиротрона позволили более чем на порядок увеличить плотность плазмы в разряде, перейти к квази-газодинамическому режиму ее удержания. Подобный тип ЭЦР ионных источников был впервые предложен и разработан авторами данного проекта, и отличается возможностью генерации импульсных ионных пучков с рекордной яркостью и током на уровне 400 мА. Также авторами проекта был предложен новый подход к конструированию систем экстракции ионных пучков с высокой плотностью тока, использующий сильно неоднородное распределение поля в ускоряющем зазоре. Данная концепция будет впервые испытана и использована при создании новой системы экстракции в рамках выполнения предлагаемого проекта. В рамках данного проекта предлагается проведение исследований непрерывных режимов работы ЭЦР источника ионов водорода с использованием открытой магнитной ловушки на основе постоянных магнитов и непрерывного излучения гиротрона с частотой 28 ГГц и мощностью до 10 кВт. В ходе работ планируется продемонстрировать возможность генерации непрерывных протонных пучков с током до 250 мА при нормализованном эмиттансе на уровне 0.25 пи*мм*мрад с долей атомарных ионов не ниже 99%. Успешное выполнение проекта позволит создать уникальный инжектор пучков ионов водорода и его изотопов для современных ускорительных комплексов.