Характеристики возможного источника поляризованных ионов для Ускорителя У-70, ИФВЭ

Белов А. С.

Институт ядерных исследований РАН

Москва

Протвино, 1-2 Марта, 2005

Содержание:

Источник поляризованных ионов ИЯИ РАН.. 1

Параметры источника поляризованных протонов ИЯИ РАН.. 2

Параметры пучка поляризованных атомов водорода. 2

Отрицательные поляризованные ионы водорода. 2

Разработка конвертора плазмы в ИЯИ РАН: 2

Параметры источника отрицательных поляризованных ионов водорода  ИЯИ РАН 3

Источник поляризованных ионов IUCF - CIPIOS. 4

Характеристики источника отрицательных поляризованных ионов водорода  IUCF   (CIPIOS). 4

Сравнение характеристик источников поляризованных ионов. 5

Источник поляризованных ионов ИЯИ РАН

· В ИЯИ РАН разработан импульсный источник поляризованных ионов водорода, особенностью которого является получение поляризованных ионов перезарядкой поляризованных атомов в плазме:

· H° + D+ ® H++ D° (1)

· H° + D- ® H-+ D°                       (2)

· В плазме энергия сталкивающихся частиц ~ 10 эВ

· Для таких энергий

· сечение  реакции (1) - 5 10^–15 cm²

· сечение реакции (2) - 10^–14 cm²

· Большие сечения реакции перезарядки приводят к получению высокой эффективности перезарядки и высокой интенсивности  поляризованного источника

· Вначале, в ИЯИ РАН (1986г.) был разработан источник поляризованных протонов

Параметры источника поляризованных протонов ИЯИ РАН

· Импульсный ток пучка поляризованных протонов:

· 6 мА   со свободным атомарным пучком

· 11 мА  с накопительной ячейкой в ионизаторе

· Нормализованный эмиттанс:

· 1.7 p  мм мрад  со свободным атомарным пучком

· 1 p мм мрад с накопительной ячейкой в ионизаторе

· Длительность импульса - 100 мкс

· Частота повторения импульсов - 1-10 Гц

· Степень поляризации  80-90 %

Параметры пучка поляризованных атомов водорода

· Импульсная интенсивность пучка - 2×10 ¹⁷ ат/ cм² сек.

· Наиболее вероятная скорость атомов - 2 10 ⁵ см/сек (охлаждение жидким азотом)

Отрицательные поляризованные ионы водорода

· Чтобы получать отрицательные поляризованные ионы,  надо генерировать в плазменном перезарядном ионизаторе плазму, обогащенную неполяризованными отрицательными ионами  (Belov et al. (1987))

Разработка конвертора плазмы в ИЯИ РАН:

· 2 мка  неполяризованных ионов D^-  в 1990 г. из источника плазмы без конвертора

· 1.2 мА неполяризованных ионов D^- в 1993 г. - был создан конвертор плазмы с использованием паров Cs для "включения" поверхностно-плазменного метода генерации отрицательных ионов.

· 11 мА неполяризованных ионов D^- в 1996 г. благодаря размещению конвертора плазмы на входе в соленоид ионизатора

· 45 мА неполяризованных ионов D^- в 2000 г. - был создан двухступенчатый конвертор плазмы

· мА неполяризованных ионов D^- в 2001 г. - двухступенчатый конвертор плазмы + улучшенный дуговой плазменный источник

Параметры источника отрицательных поляризованных ионов водорода  ИЯИ РАН

· Импульсный ток пучка ионов H^-:                                            3.8 мА

· Импульсный ток пучка неполяризованных ионов D-:            60 мА (до 90 мА)

· Степень поляризации:                                                    85-90 %

· Нормализованный эмиттанс:                                         1.7 p  мм мрад

· Длительность импульса:                                                 170 мкс

· Частота повторения импульсов:                                                1-10 Гц

Осциллограмма импульса тока ионов H^-  из источника поляризованных ионов ИЯИ РАН. По вертикали - 1 мА/ дел. По горизонтали - 50 мкс / дел.

Осциллограмма импульса тока ионов H^-  и тока неполяризованных ионов D^- (нижний импульс) из источника поляризованных ионов ИЯИ РАН. По горизонтали - 50 мкс / дел.

Источник поляризованных ионов IUCF - CIPIOS

· Источник создан в 1999 г. в сотрудничестве IUCF и ИЯИ РАН

· CIPIOS ( Cooler Injector Polarized Ion Source) предназначен для генерации поляризованных и неполяризованных ионов H^- и D^-

· Неполяризованные ионы H^- и D^- генерируются в полазменном ионизаторе при подаче в источник плазмы водорода или дейтерия соостветственно.

· Для получения поляризованных ионов D^-  в диссоциатор источника подается дейтерий, а в источник плазмы ионизатора - водород, и используется реакция:

· D° + H^- ® D^-+ H°                         (3)

· В отличие от источника ИЯИ РАН  в CIPIOS используются шестиполи, изготовленные из постоянных магнитов с индукцией магнитного поля 1.4 Т.  Это позволило добиться лучшей фокусировки атомарного пучка и уменьшить эмиттанс поляризованного пучка, что было важно для инжекции поляризованных ионов в RFQ.

· Для охлаждения атомов в диссоциаторе используется криогенератор

· В CIPIOS используется схема поляризации дейтронов с двумя шестиполюсными магнитами и тремя ВЧ переходами, которая позволяет получать векторную поляризацию +/- 1 и тензорную поляризацию +1, -2.

· Напрвление поляризации в пучке, извлеченном из источника, по вертикали и для ионов H^- и для ионов D^-.

Характеристики источника отрицательных поляризованных ионов водорода  IUCF   (CIPIOS).

· Импульсный ток пучка поляризованных ионов H^- (D^-):     1.8 (2) мА

· Импульсный ток пучка неполяризованных ионов H^- (D^-):      40  (30) мА

· Степень поляризации H^-:         80-85%

· Степень поляризации D^-:

State Name	Nominal Pz	Measured	Nominal Pzz	Measured
+ Vector	+1	0.909 (31)	+1	0.891 (13)
-  Vector	-1	-0.684 (30)	+1	0.695 (14)
+ Tensor	0	0.003 (32)	+1	0.875 (13)
-  Tensor	0	0.020 (33)	-2	-1.591 (13)

· Нормализованный эмиттанс H^- (D^-):            1.2 p  мм мрад

· Длительность импульса:                                     до 500 мкс

· Частота повторения импульсов:                        1- 4 Гц

· В CIPIOS была получена долговременная стабильность интенсивности и поляризации. Поляризация была постоянна  в течение сеансов работы ускорителя  длительностью ~ 1000 часов.

· Высокая надежность работы CIPIOS: без персонала с автоматизированной системой управления в течение ~ 1000 час.

Сравнение характеристик источников поляризованных ионов

Лабор.	Тип источника	Ток пучка	Поляр.	Длит.Имп.	ЧастотаПовторения имп.
ИЯИ РАН	Atomic beam with nearly resonant charge-exchange plasma ionizer	H+ - 11 мА H-   -  3 мА	0.8 0.9	200ms	10 Гц
BNL	Optical pumping	H- - 1 mA	0.7-0.8	500ms	1 Гц
ОИЯИ	Atomic beam With Penning discharge ionizer	D+ - 0.4 mA	0.6	400ms	0.2 Гц
Juelich	Atomic beam with Cs colliding beam ionizer	H-    -  0.01 mA	0.9	20 ms	1 Гц