авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 |

«РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ПЕТЕРБУРГСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ им. Б.П. КОНСТАНТИНОВА _ ...»

-- [ Страница 2 ] --

MP1 MP TP GD V1 FC1 FC2 V G H O G2 G D TP4 TP1 TP2 TP I II G MP3 TP7 TP V III G CP V IV G CP G CP V вакуумная лампа мембранный насос турбомолекулярный электропневматический насос вентиль криосорбционный регулятор потока насос Рис. 16. Схема вакуумной системы источника ANKE ABS. Полный список вакуумного оборудования приведен в Таблице 1.

Система дифференциальной откачки спроектирована таким образом, чтобы обеспечивать необходимый вакуум на уровне от 10-4 до 10-7 мбар в I-IV камерах при входных потоках газа до 5 мбар·л/с. Откачка первой камеры производится двумя, параллельно соединенными, большими турбомолекулярными насосами (TP1, TP2, см.

рис. 16) со скоростью откачки 2200 л/с каждый. Их выход последовательно соединен с малыми турбомолекулярными насосами (TP4, TP5) со скоростью откачки 260 л/с каждый, которые, в свою очередь, соединены с общим турбомолекулярным насосом (TP6) того же типа. Выход насоса TP6 подключен к двум, соединенным параллельно, мембранными насосами (MP1, MP2), являющимися последней ступенью. Такая схема - 44 включения насосов явилась результатом работы по оптимизации вакуумной системы источника [46], в которой сравнивались три различные схемы откачки, представленные на рис. 17.

I I I TP1 TP1 TP1 TP1 TP1 TP TP2 TP2 TP2 TP2 TP2 TP MP MP TP3 TP TP MP MP MP MP а) б) в) Рис. 17. Различные схемы откачки камеры I.

Первоначально планировалось применить последовательное включение насосов (рис. 17.а), но в результате тестов выяснилось, что подобная схема включения показывает резкое снижение скорости откачки при входных потоках ~ 2 мбар·л/с.

Включение в каждую из ветвей дополнительного малого турбомолекулярного насоса (рис. 17.б) позволило сохранить скорость откачки постоянной при потоках вплоть до ~ 5 мбар·л/с. Схема, представленная на рис. 17.в, позволяет сохранять постоянную скорость откачки при потоках чуть меньше 5 мбар·л/с, но имеет преимущество перед схемой рис. 17.б, так в ней использовано на один насос меньше.

Откачка второй камеры (II) производится по классической схеме с тремя последовательно включенными насосами – большой турбомолекулярный насос (TP3), малый турбомолекулярный насос (TP7) и мембранный насос (MP3). При входном потоке газа ~ 2 мбар·л/с давление в этой камере составляет PII ~ 10-5 мбар.

Как следует из принципов действия источника поляризованных атомов, в камере III спин-сепарирующими магнитами рассеивается до 50 % пучка, прошедшего систему формирования. Это накладывает условие обеспечения высокой скорости откачки во избежание рассеяния сфокусированного магнитами пучка на остаточном газе. Те же рассуждения справедливы и для камеры IV, содержащей вторую группу спин сепарирующих магнитов. Для обеспечения сверхвысокого вакуума в этих камерах применены криосорбционные насосы (CP1, CP2) со скоростью откачки до 3000 л/с каждый.

- 45 В силу того, что нижний блок сверхтонких переходов расположен близко к последнему спин-сепарирующему магниту, в него попадает часть атомов с «неправильным» электронным спином (mJ = –1/2), что может привести к уменьшению поляризации пучка. Для сведения к минимуму таких потерь, откачка камеры IV*, содержащей нижний блок сверхтонких переходов, производится отдельным криосорбционным насосом CP3 со скоростью откачки 800 л/с.

На начальном этапе, до достижения вакуума, необходимого для работы криосорбционных насосов CP13, откачка III и IV камер производится турбомолекулярными насосами первой ступени (TP5, TP6) через вентили V3 и V4 (см.

рис. 16).

Таблица 1.

Список вакуумного оборудования ANKE ABS.

Обозначение Тип Комментарии на схеме Турбомолекулярный насос.

TP13 Pfeiffer TPH Скорость откачки 2200 л/с Турбомолекулярный насос.

TP47 Pfeiffer TMH Скорость откачки 260 л/с MP13 Pfeiffer MD-8 Мембранный насос.

Криосорбционный насос.

CP12 Leybold COOLVAC- Скорость откачки 3000 л/с Криосорбционный насос.

CP3 Leybold COOLVAC- Скорость откачки 800 л/с Регулятор газового потока.

FC12 MKS Massflo Type Диапазон 10-31 мбар·л/с V12 Nurpo Электромагнитные вентили.

V34 Balzers Электромагнитные вентили Специальный отсечной V5 VAT электромагнитный вентиль G1 Analog Вакуумный манометр Вакуумные лампы емкостного GD, G2 MKS Baratron типа Комбинированные вакуумные G3G7 Pfeiffer HPT- лампы - 46 Подводя итог, можно выделить следующие характерные особенности системы дифференциальной откачки ANKE ABS:

· впервые для поляризованных источников применена система с последовательным применением 3-х турбонасосов, что позволило сохранить скорость откачки в первой ступени постоянной при входных потоках газа до 5 мбар·л/с без использования больших масляных насосов как, например, в источнике HERMES ABS [44];

· впервые, для такого типа источников, использована система безмасляной откачки, в которой последовательное использование компрессионных отношений турбомолекулярных насосов, позволяет в качестве конечного использовать мембранный насос.

3.3 Диссоциатор Конструкция радиочастотного диссоциатора базируется на опыте создания и эксплуатации диссоциатора HERMES ABS [47] и легко позволяет менять условия газового разряда.

Рис. 18. Радиочастотный диссоциатор ANKE ABS.

Для проведения обслуживания диссоциатор может быть легко демонтирован, в то время как сопло и его охлаждающая система остаются на своих местах. На фотографии (рис. 18) диссоциатора ANKE ABS, слева направо видны: фланец для подачи водорода (дейтерия), фланец диссоциатора, колебательный контур (2 емкости с одной потенциальной обкладкой в середине и катушка индуктивности), нижнее крепление 3-х коаксиальных трубок и нижний конец разрядной трубки.

- 47 3.3.1 Механическая конструкция На рис. 19 изображен разрез диссоциатора и показана часть системы охлаждения сопла.

Разрядная трубка с внутренним диаметром 10 мм и толщиной стенки 2 мм выполнена из боросиликатного стекла11 и имеет длину 745 мм. Две из трех коаксиальных трубок (1), показанных на рис. 20 используются для водяного охлаждения разрядной трубки. Охлаждающая жидкость подается в зазор между разрядной и центральной трубкой через специальное быстроразъемное соединение (2, рис. 19). Нагретая жидкость через зазор между центральной трубкой и нижним уплотнением охлаждающего контура (7, рис. 19 и 2, рис. 20) поступает в зазор между центральной и внешней трубкой и затем выводится через такое же быстроразъемное соединение (10, рис. 19). Особое внимание при проектировании было уделено элементам, находящимся при комнатной температуре и расположенным вблизи сопла, находящегося при криогенных температурах. Так, например, для ограничения теплового потока от нижнего края кожуха диссоциатора к соплу была применена тефлоновая вставка (3, рис. 20).

В отличие от других источников [43, 44], где сопло жестко связано с разрядной трубкой посредством индиевого уплотнения, в диссоциаторе ANKE ABS применяется другой способ крепления. Торец разрядной трубки заточен под 45 и трубка прижимается к внутренней поверхности сопла посредством уплотнительного кольца, расположенного во фланце (1, рис. 19). Такая конструкция позволяет легкую и быструю смену сопла, а также возможность демонтажа самого диссоциатора без снятия сопла.

Для удобства наблюдения за разрядом во время настройки параметров диссоциатора в кожухе диссоциатора имеется специальное окно (12, рис. 19).

Элементы колебательного контура – две емкости (6, рис. 19) и катушка индуктивности (5, рис. 19) закреплены на четырех шпильках, одна из которых видна на рис. 19. Три из них выполнены из нержавеющей стали и служат лишь для крепления элементов. Четвертая выполнена из меди и используется как земляная шина для колебательного контура. Такая конструкция позволяет легко изменять расстояния между обкладками конденсаторов и тем самым, подстраивать резонансную частоту контура. Винт (11), находящийся под нулевым потенциалом, служит для перемещения области разряда внутри трубки во время работы. Подача ВЧ мощности в колебательный контур производится через разъем (3) и скользящее соединение (4).

DURAN®, Schott Werke, Type 8330.

- 48.

Рис. 19. Диссоциатор ANKE ABS в разрезе. 1: фланец подачи газа, 2: вход охлаждающей жидкости, 3: ВЧ-ввод, 4: скользящее ВЧ-соединение, 5: катушка индуктивности, 6: конденсаторы, 7: нижнее уплотнение охлаждающего контура, 8: сопло, 9: часть системы охлаждения сопла (медный тепловой мост).

- 49 Рис. 20. Нижний конец диссоциатора и система формирования газовой струи. 1: разрядная трубка и трубки системы охлаждения, 2: нижнее уплотнение охлаждающего контура, 3:

тефлоновый ограничитель теплового потока, 4: скользящее соединение, 5: поддержка сопла и системы охлаждения, 6: нагреватель, 7: медный тепловой мост, 8: крепление сопла, 9:

сопло12, 10: окно в верхней вакуумной перегородке, 11: скиммер13, 12: коллиматор12, 13:

первый секступольный магнит, 14: нижняя вакуумная перегородка.

Подводя итог рассмотрению конструкции диссоциатора, следует отметить следующие характерные особенности конструкции диссоциатора ANKE ABS:

· впервые применена система жидкостного охлаждения разрядной трубки с коаксиальными потоками, что позволило разместить подводы жидкости в безопасной (верхней) области;

Выполнено из сверхчистого алюминия (Al 99.5) Выполнен из нержавеющей стали - 50 · впервые применено скользящее соединение для подачи ВЧ мощности и перемещаемый резонатор, что позволило оптимизировать систему по положению плазменного разряда относительно сопла диссоциатора;

· впервые сопло отделено от диссоциатора, что существенно упростило смену, как сопла, так и диссоциатора, что особенно важно при использовании источника в экспериментах на ускорителе;

· впервые организован перехват тепла, поступающего из диссоциатора к соплу, что приводит к более однородному распределению температуры вдоль сопла и, тем самым, сужает распределение по скоростям атомов, вылетающих из сопла.

3.3.2 Радиочастотная система Для создания высокочастотного поля, в котором образуется газовый разряд, был использован промышленный генератор Httinger PFG 600 RF с частотой 13.56 МГц и максимальной мощностью 600 Вт. Для минимизации отраженной мощности, в качестве дополнительного элемента системы, было применено устройство сопряжения Httinger PFM 1500A. Устройство сопряжения, управляемое генератором по оптоволоконной линии, автоматически минимизировало отраженную мощность путем изменения переменных емкостей CLoad и CTune. На рис. 21 представлена структурная схема радиочастотной системы и показана эквивалентная электрическая схема плазмы.

CLoad LLoad C RPlasma LDiss C2 CDiss CAdd CTune LPlasma LTune Устройство сопряжения Диссоциатор Плазма Рис. 21. Структурная схема радиочастотной системы.

Полностью автоматическая система минимизации отраженной мощности впервые была применена в источниках подобного типа. Это позволило существенно упростить и ускорить работу по оптимизации характеристик поляризованного источника при изменении режимов работы (температура сопла, поток газа и т.д.).

- 51 3.3.3 Система охлаждения сопла Поскольку доступ к источнику во время эксперимента ограничен, одной из основных задач является создание надежной системы стабилизации температуры сопла. Она должна удовлетворять следующим условиям:

· обеспечивать стабилизацию температуры в диапазоне 50120 K с точностью ±1 K при тепловом потоке до 20 Вт;

· обеспечивать быстрое охлаждение и быстрый нагрев сопла до комнатных температур;

· конструкция должна быть компактной и занимать минимум места в области между соплом и скиммером, что особенно важно для улучшения условий откачки остаточного газа.

Система стабилизации температуры сопла источника ANKE ABS представляет из себя совокупность трех основных элементов:

криогенератор14, обеспечивающий охлаждение сопла вплоть до 40 K;

· · нагревательный элемент резистивного типа с управляемым источником питания, которые обеспечивают необходимое для стабилизации тепло и нагрев до комнатной температуры;

датчик температуры и электронный блок ПИД-регулятора15, управляющий · источником питания нагревательного элемента.

Криогенератор (2, рис. 13) закреплен на том же фланце, что и диссоциатор (1, рис. 13). Такая конструкция обеспечивает их совместное движение в ходе юстировки сопла и позволяет свести к минимуму применение гибких тепловых мостов с малой теплопроводностью. Тем не менее, для снятия механического напряжения, возникающего в ходе охлаждения поверхности криогенератора, применено гибкое соединение, представляющее собой два медных диска (диаметр 115 мм, толщина 6 мм) на расстоянии 30 мм, связанные двумястами гибкими медными тросиками. Следует отметить, что в отличие от других источников [43, 44] это гибкое соединение расположено вблизи криогенератора, а не сопла, что существенно улучшает условия откачки в этой критической, для формирования газовой струи, области.

На рис. 20 показан нагревательный элемент (6), расположенный в тепловом мосту, соединяющем криогенератор (через гибкую вставку) и сопло.

Leybold RGS Siemens, FM - 52 Температура T0 + d T Время T0-d 10 мин 20 мин Рис. 22. Характерная зависимость температуры сопла от времени при стабилизации с помощью ПИД-регулятора.

На рис. 22 показана характерная зависимость температуры сопла от времени при использовании блока ПИД-регулятора после оптимизации его параметров. Время, необходимое для стабилизации, сильно зависит от разницы между текущим значением температуры сопла и заданной точкой стабилизации. При изменении температуры сопла на 10 K, это время не превышало 15 минут.

Применение в системе охлаждения сопла лишь одного гибкого теплового моста позволило сократить время, необходимое для охлаждения сопла с комнатной температуры до 60 K, на 23 часа по сравнению с аналогичным источником HERMES ABS [44] и составило приблизительно 3 часа.

Таким образом, система охлаждения сопла ANKE ABS полностью удовлетворяет, предъявленным требованиям и имеет следующие характерные особенности:

· впервые гибкие элементы системы охлаждения удалены от сопла, что позволило свести до минимума наличие холодных поверхностей и, тем самым, улучшить условия откачки;

· впервые гибкие элементы вынесены в область более низких температур, где теплопроводность меди существенно выше, что позволило уменьшить сечение гибких элементов.

- 53 3.4 Система формирования газовой струи Одним из основных элементов, определяющим интенсивность атомарного пучка, инжектируемого в накопительную ячейку, является система формирования газовой струи, состоящая из следующих элементов:

· сопло с возможностью регулировки температуры поверхности;

· скиммер, представляющий собой коллиматор в форме обратного конуса и позволяющий формирование сверхзвуковой газовой струи;

· коллиматор, используемый для окончательного формирования струи и предотвращающий перегрев первого спин-сепарирующего магнита в результате рекомбинации атомарного водорода на его торцевой поверхности.

Именно система формирования газовой струи определяет важнейшие параметры пучка, такие как скоростное и угловое распределения и т.д. Теория, к сожалению, до сих пор не пришла к единому мнению по поводу формирования газовой струи в гидродинамическом режиме. Поэтому при проектировании источников подобного рода геометрия отдельных элементов (сопло, скиммер, коллиматор) выбирается скорее эмпирически или является результатом численного моделирования, нежели следует из строгих расчетов.

3.4.1 Конструкция Конструкция системы формирования газовой струи источника ANKE ABS представлена на рис. 20. При ее проектировании за основу была взята геометрия системы источника HERMES ABS [44]. Однако, в результате интенсивных тестов было выяснено, что данная схема (Схема-1, табл. 2) не является оптимальной в силу того, что рабочие условия двух источников разные.

Было высказано предположение, что часть атомов, испущенных из сопла в телесный угол w (см. рис. 23), определяемый входной апертурой первого магнита, не проходят через скиммер и коллиматор и выбывают из пучка. С целью уменьшения этих потерь диаметр скиммера и коллиматора был увеличен таким образом, чтобы не пересекать крайние траектории атомов, изображенные пунктиром на рис. 23.

Внесенные изменения (Схема-2, табл. 2) позволили увеличить интенсивность пучка приблизительно на 7%.

- 54 d сопло w потери!

D скиммер коллиматор магнит Рис. 23. Потери в системе формирования газовой струи.

Для сравнения в таблице 2 приводятся геометрические размеры элементов (диаметр d, длина и расстояние между элементами D) и полученные интенсивности пучка при использовании первоначальной и оптимизированной систем формирования пучка.

Таблица 2.

Параметры первоначальной и оптимизированной систем формирования пучка и полученные максимальные интенсивности. Размеры указаны в мм.

Схема-1 Схема- Элемент D D d d 2.0 25.0 2.3 25. сопло 15.0 15. 3.0 13.0 4.4 13. скиммер 29.9 29. 8.0/8.716 2.0 8.0/8.7 2. коллиматор 3.1 3. Максимальная 6.9·1016 7.5· интенсивность пучка, атомов/с Коническая форма. Первое число показывает диаметр входной апертуры, второе – диаметр выходной апертуры.

- 55 Особенностью данной конструкции является то, что впервые смена всех элементов, формирующих газовую струю, осуществляется через один наружный фланец на камере II (рис. 13). Это существенно упрощает процедуру оптимизации характеристик источника по параметрам системы формирования газовой струи.

3.5 Спин-сепарирующая магнитная система 3.5.1 Основные принципы Как уже было отмечено, пространственное разделение пучка атомов по ориентации электронного спина происходит в неоднородном магнитном поле секступольных магнитов. Характерным свойством секступольного магнита (см. рис. 24) является то, что он создает аксиально-симметричное поле, фокусирующее атомы, чей r магнитный момент ориентирован параллельно радиус-вектору r, и дефокусирует r атомы с противоположной ориентацией магнитного момента. Сила F, действующая на атом и ответственная за фокусировку и дефокусировку r B r m W B r - eff r r m j = +1 / 2 (фокусировка) r r r F = - W = - =, r (43) B r r + m B r m j = -1 / 2 (дефокусировка) eff r r где W – потенциальная энергия, B – магнитное поле и m eff – эффективный магнитный момент атома.

Рис. 24. Секступольный магнит, используемый в ABS. Атом, влетающий в магнит с r = под углом a0, изображен слева;

справа показано несколько силовых линий.

Таким образом, состояния с проекциями электронного спина mj = +1/2 и mj = –1/2 пространственно разделяются в сильном неоднородном магнитном поле. В результате атомарная компонента с mj = –1/2 выбывает из пучка и удаляется насосами, обеспечивающими откачку вакуумной камеры.

- 56 На рис. 25 показана зависимость эффективного магнитного момента атома от внешнего магнитного поля. Поскольку состояния 1 и 3 являются чистыми, то сила, действующая на них, зависит лишь от градиента магнитного поля, но не зависит от его величины. Состояния 2 и 4 являются вырожденными и зависимость силы от величины внешнего поля определяется зависимостью эффективного магнитного момента от поля.

meff mB 1. 0. 0. -0. -1. 0 2 4 6 c =B/Bc Рис. 25. Зависимость эффективного магнитного момента атома от внешнего магнитного поля для четырех уровней сверхтонкого расщепления.

Атомы с mj = +1/2 совершают колебания около оси симметрии магнита и фокусируются на выходе магнитной системы. Необходимым условием прохождения магнитной системы и последующей фокусировки является то, что амплитуда колебаний должна быть меньше апертуры магнита. Это условие выполняется если (см. [29]) mvr W ( Bm ) - W ( B0 ), (44) где vr – радиальная компонента скорости атома на входе в магнит, Bm – поле на поверхности магнита и B0 – поле в точке входа атома в магнит. Т.о. интенсивность пучка зависит от количества атомов, удовлетворяющих условию (44).

3.5.2 Спин-сепарирующие секступольные магниты ANKE ABS Для разделения атомарного пучка по ориентации электронного спина в ABS применены 6 постоянных секступольных магнитов (две группы по три магнита в каждой) [45], произведенные компанией Vakuumschmelze Hanau [48]. Свойства многосегментных мультипольных магнитов достаточно подробно описаны в работе [49]. Согласно этой работы, поле на поверхности магнита, состоящего - 57 из 24 сегментов, на 15.5% превышает поле магнита, состоящего из 12 сегментов, поэтому при проектировании магнитной системы выбор пал на 24-сегментные магниты.

Магнитная система фокусировки пучка атомарного водорода была рассчитана при помощи программы [50], позволяющей моделировать трехмерные поля.

MAFIA Кроме того, с помощью этой же программы были проведены исследования самих секступольных магнитов, особенно критических участков с максимальной напряженностью поля (полюс сегмента 3, рис. 26).

При производстве магнитов использованы три различных материала, различающихся по намагниченности и коэрцитивной силе (рис. 26). Стрелки показывают направление намагниченности, цифры определяют материал сегмента (1 VACODYM 510HR, 2-VACODYM 383HR, 3-VACODYM 400HR). Применение материалов нового поколения на основе ниодима, железа и бора, разработанных в Сумимото, Япония [51], позволило значительно увеличить величину магнитного поля в полюсах, по сравнению с существующими магнитами на основе самария и кобальта.

Несмотря на то, что в случае использования сверхпроводящих катушек магнитное поле может достигать 3.24.6 Т [52] (для секступольного магнита с внутренним диаметром 1444 мм) они редко применяются на практике в силу специфики использования источника в экспериментах на ускорителе (дефицит пространства, ограниченный доступ во время эксперимента и т.д.). Поэтому наиболее оптимальным выбором для магнитной системы источника являются постоянные магниты, выполненные из современных материалов на основе NdFeB и обеспечивающие поле порядка 1.5 Т, поскольку не требуют никакого обслуживания.

3 r2 r Рис. 26. Часть цилиндрического постоянного секступольного магнита, состоящего из сегментов.

- 58 В Табл. 3 перечислены геометрические размеры магнитов, рассчитанные с помощью программы значения магнитного поля на поверхности, а также MAFIA результаты измерений поля.

Таблица 3.

Размеры секступольных магнитов и магнитное поле на поверхности.

№ Bизм, T r1, мм r2, мм BMAFIA, T h, мм Магнита 5/ 1 40 20 1.633 1. 2 65 8/11 32 1.641 1. 3 70 14 47 1.642 1. 4 38 15 47 1.564 1. 5 55 15 47 1.605 1. 6 55 15 47 1.605 1. Подводя итог, следует сказать, что применение современных магнитных материалов позволило создать рекордную по своим параметрам спин-сепарирующую магнитную систему, состоящую из шести постоянных 24-сегментных секступольных магнитов с полем на внутренней поверхности магнитов до 1.65 T.

3.6 Блоки сверхтонких переходов Вторым важнейшим элементом источника, помимо спин-сепарирующих секступольных магнитов, отвечающим за создание поляризованного пучка, является система блоков сверхтонких переходов [53]. Именно здесь индуцируются переходы между уровнями сверхтонкого расщепления для создания той или иной конфигурации заселенности уровней.

Принцип действия блоков сверхтонких переходов, как уже было отмечено, состоит в следующем. Согласно эффекту Зеемана, уровни энергии атома, помещенного во внешнее магнитное поле B расщепляются на 2 F + 1 подуровней (см. рис. 3, 4).

Приложив высокочастотное поле с частотой, соответствующей энергетической разности уровней сверхтонкого расщепления для данного B, возбуждаются переходы между заданными уровнями. В силу того, что в равновесном состоянии переходы идут в обе стороны (поглощение и вынужденное излучение), для атомов пучка необходимо создать условия, при которых исключается возможность обратных переходов. Эта Коническая форма. Первое число показывает диаметр входной апертуры, второе – диаметр выходной апертуры.

- 59 задача решается путем возбуждения переходов в градиентном магнитном поле. Т.е. для атома, движущегося в таком поле, условия для перехода складываются лишь в ограниченной области пространства, где частота соответствует величине поля. Следует отметить, что амплитуда ВЧ-поля, или, иными словами, плотность фотонов, не должна быть слишком большой, т.к. в этом случае один и тот же атом может испытывать более одного взаимодействия с фотоном, что приведет к обратным переходам и, следовательно, снизит поляризацию пучка.

3.6.1 Принципы действия Атом, попадая в градиентное магнитное поле B(z), создаваемое катушками Bstat и Bgrad (рис. 27), поглощает фотон частоты w. Для осуществления перехода между квантовыми уровнями необходимо удовлетворить правилам отбора, которые вытекают r r r из закона сохранения момента: Fin + Fg = F fin. Поскольку направление Brf фиксировано rrr (Brf ^ B(z)), а спин фотона сонаправлен с вектором Умова-Пойтинга S = E B, то его проекция mg на B(z) может принимать значения mg = ±1. Т.о., возможны переходы с rr DF = 0, ±1, DmF = 0, ±1. H D Bstat Bgrad Brf пучок пучок H (D) H (D) B(z) Z B(z) z Рис. 27. Схема блока высокочастотных переходов.

- 60 В случае водорода возможны переходы 1«2, 1«4, 2«3, 3«4, а 1«3 является запрещенным, т.к. DmF = ±2. Для создания определенной конфигурации заселенности уровней сверхтонкого расщепления применяются три типа блоков радиочастотных переходов: блок переходов в слабом поле (WFT18), в промежуточном поле (MFT19) и сильном поле (SFT20). Основным отличием блоков WFT и MFT (p-переходы) является то, что поле B(z) перпендикулярно Brf, в отличие от SFT (s-переходы), где B(z) параллельно Brf. Т.е. для SFT правила отбора будут выглядеть как DF = ±1, DmF = 0, ибо mg = 0. Что касается блоков WFT и MFT, следует отметить, что в области c 1 (WFT) расстояние между уровнями 1-2 и 2-3 приблизительно совпадают: DW1-2 ( B) » DW2-3 ( B). Это приводит к тому, что переходы 1«2 и 2«3 не разделены пространственно, как в блоке MFT, а происходят практически в одной точке.

Приведенные в таблице 4 основные характеристики блоков радиочастотных переходов являются, в достаточной степени, приблизительными и зависят во многом от конструкционных особенностей блоков.

Таблица 4.

Основные характеристики блоков радиочастотных переходов.

тип правила ориентация характернные характернные переходы атома отбора полей частоты, МГц поля, Гс 1« H 14 DF = 0, B ^ Brf 1 « 4, WFT mF « –mF D 6 4. 2« 2« H 50.5 1 « 2, DF = 0, B ^ Brf MFT 2«3 DmF = ± D 22.3 8 (24) 3« 2« H 1425.2 DF = ±1, 2 « 6, SFT B || Brf DmF = D 341.5 13 (91) 3« Следует отметить, что указанные в таблице правила отбора [29, 54] являются мнемоническими и отражают назначение блока, а не самого механизма переходов. Так, Weak Field Transition Medium Field Transition Strong Field Transition - 61 например, для блока WFT правила отбора выглядят как DF = 0, mF « -mF, что соответствует, в случае водорода, переходу 1«3, хотя на самом деле это двухступенчатый процесс, т.е. сначала происходит переход 1«2, а затем 2«3.

3.6.2 Блоки сверхтонких переходов ANKE ABS 3.6.2.1 Механическая конструкция В источнике поляризованного атомарного водорода/дейтерия ANKE ABS применены все три типа блоков сверхтонких переходов: MFT (6, рис. 13), WFT и SFT (9, рис. 13).

Водяное охлаждение ВЧ-резонатор Магнитная защита Катушка статического поля (Bstat) Рис. 28. Конструкция блока сверхтонких переходов ANKE ABS.

На рис. 28 схематически показана конструкция блока сверхтонких переходов в промежуточном поле. Статическое магнитное поле, перпендикулярное оси пучка, задается двумя катушками (Bstat, рис. 28). Для создания градиентного поля используются две катушки (Bgrad), расположенные с обеих сторон высокочастотного - 62 резонатора. Поскольку в отличие от других источников ANKE ABS будет работать в сильном магнитном поле, создаваемом центральным магнитом спектрометра (D2), в конструкцию блоков внесена защита от внешнего магнитного поля, выполненная из «магнито-мягкого» железа. Расчеты, выполненные с помощью программы [50], MAFIA показали, что в случае применения такого материала для экранировки внешнего магнитного поля (200500 Гс) толщина защиты составляет 5 мм.

Катушки Bgrad представляют собой алюминиевые рамки, проволока на которые наматывается сначала по часовой стрелке, а затем против (см. рис. 29), в результате чего поле в центре катушки компенсируется и равно нулю.

Рис. 29. Схема намотки катушки градиентного поля (Bgrad).

Из характерных особенностей конструкции блоков сверхтонких переходов ANKE ABS следует отметить:

· впервые в конструкцию включена защита от внешнего магнитного поля до 500 Гс, необходимая для правильного функционирования блоков в условиях сильных внешних магнитных полей, создаваемых главным магнитом (D2) спектрометра ANKE;

· впервые для создания градиентного магнитного поля применены плоские катушки, что позволило сделать конструкцию более компактной.

3.6.2.2 ВЧ-система В отличие от блоков WFT и MFT, где резонатор представляет из себя параллельный LC-контур, в блоке SFT, служащим для обеспечения переходов с DF = ±1, что соответствует частотам ~ 1.5 ГГц, применен объемный резонатор [55], настроенный на частоту 1425.2 МГц в случае водородного пучка и 341.5 МГц в случае дейтериевого пучка [56]. Список использованного оборудования представлен в Табл. 5.

- 63 Таблица 5.

Высокочастотное оборудование блоков сверхтонких переходов.

Генератор Усилитель R.F.P.A. SA RF001100– MFT TTI TGR 1040 (101000 MHz) (1100 MHz, 10 W) Grundig FG 100 (0.5 Hz 20 MHz) WFT –“–“–“– R.F.P.A. SA RF502000–10 Rhode & Schwarz SML02 (9 kHz 2.2 GHz) SFT BI (502000 MHz, 10 W) Электрическая схема включения представлена на рис. 30. Для передачи ВЧ сигнала от усилителя к колебательному контуру (блоки WFT и MFT) и объемному резонатору (блок SFT) использовался коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 W и вакуумные разъемы в стандарте SMA (VC1, VC2). С целью минимизации отраженной мощности были применены переменные конденсаторы C1 и C2 емкостью 10–60 пФ. Измерение амплитуды ВЧ-сигнала производилось с помощью витка связи (Lp), расположенного сразу за основной катушкой (L), и присоединенного к осциллографу.

Усилитель 15 м Вакуум x 100 L Lp C VC Генератор 1..100 МГц Cx C VC Осциллограф Рис. 30. Упрощенная электрическая схема включения блоков WFT и MFT.

Использование высокочастотного оборудования последнего поколения, включенного в общую компьютерную систему управления, позволило существенно упростить работу по настройке блоков сверхтонких переходов и получить высокую степень ядерной поляризации атомарного пучка.

- 64 Рис. 31. Фотография блока сверхтонких переходов MFT (в центре), установленного в поляризованном источнике ANKE ABS. Сверху виден один из трех спин-сепарирующих магнитов первой группы.

- 65 Глава 4.

Оптимизация характеристик источника Одними из важнейших характеристик источника, определяющих в дальнейшем качество мишени, являются интенсивность атомарного пучка, его поляризация, а также степень диссоциации и пространственное распределение плотности атомарного водорода в пучке или, иными словами, его геометрические параметры. В связи с этим, одной из основных задач при подготовке источника к экспериментам на ускорителе, является нахождение целого ряда параметров, при которых интенсивность, поляризация и степень диссоциации пучка максимальны, а геометрические параметры позволят максимально эффективно инжектировать поляризованный пучок в планируемую для использования в качестве мишени накопительную ячейку.

В данной главе рассматриваются результаты работы по оптимизации различных характеристик источника, а также описываются приборы и методы, использованные в ходе работы.

4.1 Интенсивность атомарного пучка Важнейшим фактором, определяющим плотность мишени, является интенсивность атомарного пучка источника, инжектируемого в накопительную ячейку.

В связи с этим необходимо добиться максимальной интенсивности атомарного пучка, варьируя различные параметры источника (температура сопла, входной поток газа, радиочастотная мощность в диссоциаторе и т. д.).

4.1.1 Приборы и методика измерений Традиционно, задача по измерению потока нейтральных частиц с малой угловой расходимостью скоростями решается с помощью компрессионной трубки (см. рис. 32).

Рассмотрим, для начала, пучок нейтральных частиц, пролетающих сквозь трубку. Если ось трубки совпадает с направлением векторов скорости частиц, ни одна частица не коснется стенки и проводимость трубки будет равна бесконечности. Если трубка присоединена к замкнутому объёму, то внутри объема частицы перерассеиваются и проводимость трубки определяется хорошо известной формулой для свободномолекулярного режима течения газа. Таким образом, частицам “легче” - 66 влететь в замкнутый объем, чем вылететь. Это приводит к эффекту увеличения давления в компрессионном объеме при наличии пучка частиц с параллельными скоростями. Величина давления при этом связана с числом частиц из пучка, попадающих в компрессионный объем. Проводимость цилиндрического участка трубки при свободномолекулярном течении газа можно представить как:

D 3 8pkT U= (45), 12 L M где М – молекулярная масса (для водорода 21.61·10-27 кг), T – температура трубки, L – длинна трубки, D – диаметр трубки, k – постоянная Больцмана.

атомарный пучок z y x компрессионная трубка D=10 мм, L=100 мм компрессионный объем (VCV) калибровочный объем (VSV) вентиль тонкой регулировки (S) Рис. 32: Устройство для абсолютных измерений интенсивности пучка – компрессионная трубка.

Поток частиц в этом случае выражается как QV = U (PCT - PExternal ), (46) где PCT – давление в компрессионном объеме, а PExternal – давление снаружи компрессионной трубки.

Обычно поток частиц измеряется не в объемных единицах, а в “штуках атомов”.

Объемный и дискретный потоки связаны соотношением M QV = RT I beam, (47) m где I beam – поток частиц [атомов/с].

Таким образом, - 67 p D (PCV - PExternal ).

I =m (48) 2kTM 3 3N A L При проектировании устройств для измерения потока частиц с помощью компрессионной трубки определяющим фактором конструкции является отношение D /L.

Для определения параметров устройства компрессионной трубки необходимо ответить на вопрос: как быстро установится давление в компрессионном объеме при включении пучка нейтральных частиц? Если масса газа в компрессионном объеме mCV, то можно записать mCV PCV VCV = RT. (49) m Дифференцируя по времени, получаем PCV 1 mCV = VCV RT. (50) m t t mCV При этом для мы можем написать t mCV p D = M (I in - I out ) = M I beam - m (PCV - PExternal ). (51) t 2kTM 3N A L Окончательно, PCV p D M (PCV - PExternal ) = RT I beam - m = VCV m t 2kTM 3 3 N A L (52) p kT D M (PCV - PExternal ) = RT I beam m 2 M 3L Это линейное дифференциальное уравнение относительно PCV, причем в начальный момент времени PCV = PExternal. Решением, удовлетворяющим начальным условиям, является 3L p kT D 2 M 3T 1 - t 1 - e VCV PCV = PExternal + R I beam 3 2 M 3L (53) D m pk Для определения потока частиц используется разностная методика. Т.е. сначала давление в компрессионном объеме измеряется в присутствии пучка. Затем пучок останавливается прерывателем и производятся фоновые измерения. При этом давление в компрессионном объеме падает до PExternal. Зависимость давления от времени в этом - 68 случае определяется таким же дифференциальным уравнением при I beam = 0 и граничном условии PCV = PExternal (54) t ® Решением такого уравнения будет p kT D 2M 3T 1 3L - t PCV = PExternal + R I beam 3 e VCV 2 M 3L (55).

m pk D Относительная точность измерений давления в компрессионном объеме при включении пучка (DON) определяется как * PCV - PCV = D ON, (56) * PCV * где PCV – давление, создаваемое пучком в компрессионном объеме, при t ®. Таким образом, для установления давления в компрессионном объеме в пределах DON от асимптотического, измерения следует проводить через время t t ON, где PExternal t ON = -VCV ln D ON 1 +. (57) p kT D 2 M 3T 1 3L R I beam 2 M 3L D m pk Аналогичные рассуждения справедливы и для измерений фона, т.е. когда пучок останавливается прерывателем. В этом случае относительная точность измерений определяется как PCV - PExternal = D OFF, (58) PExternal и измерения давления PCV производятся с задержкой tOFF, где PExternal t OFF = -VCV ln D OFF (59) p kT D 2 M 3T 1 3L R I beam D m pk 2 M 3L Обычно, задавшись точностью измерений порядка 1%, времена tON и tOFF составляют несколько миллисекунд, что много меньше характерного времени измерения.

4.1.2 Метод абсолютной калибровки Суть калибровки сводится к измерению давления в компрессионном объеме, создаваемому потоком газа из известного калибровочного объема VSV. При этом - 69 величина потока однозначно определяется путем измерения давления в калибровочном объеме.

Основная проблема измерения абсолютной интенсивности пучка поляризованного водорода состоит в измерении давления в компрессионном объеме.

Погрешности измерения давления в диапазоне 10-410-5 мбар могут достигать 50%. Для измерения давления в компрессионном объеме используются вакуумные лампы с горячим катодом. Они показывают наилучшую воспроизводимость результатов в указанном диапазоне давлений при высокой чувствительности.

Работа ионизационных манометрических преобразователей основана на ионизации остаточного газа электронным потоком и измерении ионного тока. Именно по ионному току и судят о давлении. В общем случае для определенного газа ионный ток i A+ = k dev ne - n A s A+ e - ® A+ + 2 e - ( Ee - ), (60) () где s A+e - ® A+ + 2 e - E e- – сечение ионизации атомов или молекул A электронами с энергией Ee -, ne- и n A – плотности электронов и остаточного газа в объеме вакуумной лампы, k dev – коэффициент устройства, включающий в себя все геометрические факторы.

Особенностью измерения абсолютной интенсивности потока поляризованного водорода (дейтерия) является то, что атомарный водород рекомбинирует на поверхности компрессионного объема с определенной вероятностью. Это означает, что давление, измеряемое в компрессионном объеме – это сумма парциальных давлений атомарного и молекулярного водорода. Таким образом необходимо учитывать разную чувствительность измерительных приборов к атомарному и молекулярному водороду.

В этом случае ионный ток можно выразить как i = k dev ne - n H s 1 ( E e- ) + k dev ne- n H 2 s 2 ( Ee - ) = (61) ( ), = k dev ne- n H s 1 ( E e- ) + n H 2 s 2 ( E e- ) где s 1 – сечение ионизации атомарного водорода ( H + e - ® H + + 2e - ), а s 2 – сечение ионизации молекулярного водорода ( H 2 + e - ® H 2+ + 2e - ).

На рис. 33 представлены сечения ионизации электронным ударом для атомарного и молекулярного водорода [57].

- 70 1. - + H+e - H +2e - + H2+e - H2 +2e 0. m - 0. s x 0. 0. 10 100 1000 Energy, eV Рис. 33: Сечения ионизации электронным ударом для атомарного () и молекулярного () водорода [57].

В ионизационных преобразователях используются электронные пушки с энергией электронов в диапазоне 100200 эВ, что приблизительно соответствует максимуму сечения ионизации для большинства веществ.

Определим, какую погрешность в определение величины потока вносит наличие атомарного водорода в компрессионном объеме. Метод абсолютной калибровки предполагает равенство ионных токов вакуумной лампы в случае атомарного пучка и потока молекулярного водорода из калиброванного объема. В этом случае ( ) k dev ne - n H s 1 ( E e - ) + n H 2 s 2 ( E e - ) = k dev ne - n H 2 s 2 ( E e - ) cal (62) или n H s 1 (E e- ) + n H 2 s 2 ( E e- ) = n H 2 s 2 ( Ee - ) cal (63) Правильную калибровку можно получить только если n H 0. Истинная плотность при неполной рекомбинации выражается формулой nH 2 = nH 2 + nH.

final (64) Выражая отсюда nH 2 и подставляя в формулу, получаем s 1 ( E e- ) + nH2 - nH = n H 2.

final cal nH (65) s 2 ( Ee- ) Окончательно, 1 s 1 ( Ee - ) n H 2 = nH 2 + nH -.

final cal (66) 2 s 2 ( Ee- ) - 71 Так как слагаемое, связанное с атомарным водородом больше нуля, расчетная величина потока атомарного водорода систематически занижается при наличии атомарного водорода в компрессионном объеме. Так как оценить концентрацию атомарного водорода в компрессионном объеме не представляется возможным, необходимо предотвратить (в идеале исключить) его попадание в чувствительный объем вакуумной лампы.

Известно, что коэффициент прилипания – вероятность остаться на поверхности для атомарного водорода, для чистой поверхности из нержавеющей стали при комнатной температуре составляет a = 0.70.9 [58].

После прилипания, атомарный водород остается на поверхности и рекомбинирует с другими атомами. Для того чтобы понизить погрешность измерения потока атомарного водорода ниже D rec необходимо гарантировать n столкновений со стенками. При этом 1 s 1 ( Ee - ) (1 - a ) n - D rec (67) 2 s 2 ( Ee - ) Естественно, рассчитывается только среднее число столкновений со стенками при свободномолекулярном режиме течения газа. Как правило, 3-4-х столкновений достаточно для снижения погрешности ниже 0.1%.

Калибровка устройства измерения интенсивности осуществляется на молекулярном водороде. Для такой калибровки применяется метод истечения водорода из известного объема. При этом в известном объеме используется абсолютный датчик давления емкостного типа.

Итак, из известного объема VSV при давлении PSV происходит истечение водорода через постоянную апертуру в компрессионный объем (см. рис. 32). В общем случае PCV = f ( PSV ) (68) В первом приближении можно считать, что давление в компрессионном объеме (PCV) линейная функция давления в калибровочном объеме (PSV).

PCV = A PSV + B (69) Для давления в калибровочном объеме можно написать N H 2 mH PSV VSV = RT, (70) m H - 72 где m H 2 = 3.22 10 -27 кг молекулярная масса водорода, N H 2 – количество молекул водорода в данном объеме, m H 2 = 2 10 -3 кг моль -1 – молярная масса. При истечении газа из калибровочного объема, изменение числа молекул связано с изменением давления N H 2 PSV VSV =.

mH t t (71) RT m H Давления в калибровочном и компрессионном объемах связаны соотношениями PSV = S (PCV - PSV ), VSV (72) t где S – проводимость вентиля тонкой регулировки (рис. 32). Решением дифференциального уравнения относительно давления в калибровочном объеме является S - t (73) PSV = PSV 0 e VSV, где PSV 0 – давление в начальный момент времени. При этом поток молекул водорода в компрессионный объем выражается формулой S N H 2 PS - t = - SV 0 e VSV t mH 2 (74) RT m H Экспериментально метод абсолютной калибровки состоит в одновременном измерении давлений в калибровочном и компрессионном объемах, как функции времени:

Psv = f Psv (t ) (75) Pcv = g Pcv (t ) Для определения потока, создающего в компрессионном объеме давление Pcv0, из калибровочной кривой находится момент времени t0, соответствующий данному давлению:

t 0 = f P-1 (Pcv 0 ) (76) cv В этот момент времени находится g Psv P Psv = sv = (77) t =t0 t =t t t Окончательно поток молекулярного водорода соответствующий давлению Pcv 0 в компрессионном объеме выражается формулой - 73 N H 2 g Psv VSV = t =t mH t t (78) RT m H Величина калибровочного объема входит в конечную формулу в качестве множителя. Следовательно, погрешность определения потока определяют погрешности измерения объема и давления.

На рис. 34 представлены экспериментальные данные зависимости давлений PSV и PCV для определенной проводимости вентиля тонкой регулировки, определяющего скорость истечения газа из калибровочного объема в компрессионный.

275 10. PCV 270 10. PSV 265 9. 260 9. PCV, отн.ед.

PSV, отн.ед.

255 9. 250 9. 245 9. 240 8. 235 8. 0 1000 2000 3000 4000 Время, сек Рис. 34: Экспериментальные данные зависимости давлений PSV и PCV от времени.

4.1.3 Устройство для измерения интенсивности атомарного пучка Устройство для измерения интенсивности атомарного пучка [59, 60] состоит из двух основных частей – компрессионной трубки, непосредственно для измерения давления, создаваемого пучком, и системы подачи неполяризованного газа (UGSS21), для калибровки компрессионной трубки.

Устройство должно позволять выполнение следующих функций:

· Легкую настройку и юстировку положения компрессионной трубки. Ось трубки должна совпадать с осью атомарного пучка.

Unpolarized Gas Supply System - 74 · Продольное по отношению к оси пучка перемещение компрессионной трубки. Это позволит поместить трубку на позицию вертикальной трубки накопительной ячейки с большой точностью, а кроме того, обеспечит возможность поиска фокуса магнитной системы.

· Легкую замену компрессионной трубки и возможность использования трубок разных диаметров.

4.1.3.1 Компрессионная трубка Механическая конструкция компрессионного объема вместе с компрессионной трубкой (см. рис. 35) использует два стандартных устройства: XY- и Z-манипуляторы22.

Компрессионная трубка (1), поддерживается набором шпилек и промежуточных деталей конструкции поддержки (5-8). Ось компрессионной трубки задается регулируемой направляющей (2). Зазор между трубкой и направляющей сделан минимальным, для того чтобы предотвратить течение газа снаружи трубки. Кроме того, конструкция крепления направляющей (2) позволяет легкую юстировку компрессионной трубки относительно оси пучка.

Все компоненты устройства, за исключением самой компрессионной трубки, сделаны из нержавеющей стали, которая известна как материал, обладающий высоким коэффициентом рекомбинации для водорода. Так что, не будет ошибкой предположить, что все атомы водорода претерпели рекомбинацию до того, как они зарегистрированы вакуумной лампой с горячим катодом.

Устройство измерения крепится на нижней вакуумной камере источника атомарного пучка. Для этого была изготовлена специальная переходная вакуумная камера. Кроме того, что основной функцией данной камеры является соединение двух вакуумных объемов, она служит для грубого помещения компрессионной трубки на позицию питающей трубки мишени.

Производство компании VG Systems Ltd., Maunsell Road, Hastings, East Sussex TN 38 9NN, England - 75 Рис. 35. Сборочный чертеж устройства на основе компрессионной трубке. 1:

компрессионная трубка, 2: направляющая трубки, 3, 5-8: поддержка трубки, 4: поддержка направляющей.

4.1.3.2 Система подачи неполяризованного газа Идея калибровки компрессионной трубки состоит в воспроизведении давления в компрессионном объеме (V0, рис. 36), создаваемого пучком, с помощью потока газа известной величины из накопительного объема V1. Кроме калибровки UGSS может быть использована для наполнения любого объема, к примеру, накопительной ячейки, газом с известной величиной потока. Для этого в систему была включена петля стабилизации давления в накопительном объеме системы подачи газа. При постоянном - 76 давлении в накопительном объеме V1 и известной проводимости тонкого вентиля (UDV 136) поток на выходе UGSS не меняется.

В системе предусмотрены три различных режима управления:

· полностью ручной режим, в котором оператор управляет UGSS при помощи переключателей на передней панели устройства;

· локальный автоматический режим, в котором система исполняет запрограммированную последовательность действий;

· дистанционный режим, в котором система функционирует в рамках системы управления источником атомарного пучка.

H F 220V AC 24V DC EV Interface RVC EVR HCC HC EV PLC PS CG EV V2 V1 V EV UDV136 EVA EV EV 220V AC MP Рис. 36. Схема системы подачи неполяризованного газа.

Газ из баллона (см. рис. 36) проходит через фильтр и попадает в накопительный объем V1. Этот объем может быть откачан до давления ~ 2 мбар с помощью безмаслянного мембранного насоса MP. Величина накопительного объема V определяется сравнением с хорошо известным опорным объемом V2, который служит, в случае необходимости, как дополнительная емкость вдобавок к накопительному объему V1. Давление в V1 измеряется емкостным манометром CG фирмы BALZERS.

Контроллер манометра RVC200, который также управляет и дозирующим вентилем EVR116 способен поддерживать давление в накопительном объеме постоянным.

Накопительный объем соединяется с компрессионным через тонкий вентиль UDV136, проводимость которого определяется поданным на него напряжением, и отсечной вентиль EVA016. Вентили, обозначенные на рисунке EV – это электромагнитные - 77 вентиля типа EVC010M, служащие для выполнения вспомогательных функций, таких как обеспечение полной откачки UGSS, откачки изолированных частей UGSS, а также наполнения газом.

4.1.4 Полученные результаты Основным, и наиболее важным, применением компрессионной трубки является измерение интенсивности атомарного пучка с целью оптимизации параметров источника.

Компрессионная трубка, закрепленная на трехкоординатном столе, была установлена на расстоянии 300 мм от края последнего спин-сепарирующего секступольного магнита. Использование трехкоординатного стола позволило провести ряд измерений профиля пучка. Для обеспечения фоновых измерений, т.е. определению давления в компрессионном объеме, создаваемом остаточным газом, был использован цилиндрический прерыватель пучка с оптической системой контроля положения. На рис. 37 представлена фотография нижней вакуумной камеры ANKE ABS с установленным квадрупольным масс-спектрометром, шаговым двигателем прерывателя пучка (слева) и компрессионной трубкой (внизу).

Рис. 37. Фотография нижней вакуумной камеры ABS с устройствами измерения абсолютной интенсивности пучка (внизу) и степени диссоциации (слева).

- 78 В ходе оптимизации поочередно изменялись три основных параметра источника, а именно: входной поток, радиочастотная мощность, подаваемая в диссоциатор, и температура сопла. Во всех измерениях помимо основного потока водорода в диссоциатор подавался небольшой (1·10-3 мбар·л/с) дополнительный поток кислорода.


Диссоциировав на атомы и соединившись с двумя атомами водорода, кислород образует молекулы воды, которая тонким слоем покрывает поверхность сопла, что приводит к увеличению степени диссоциации в пучке за счет того, что коэффициент поверхностной рекомбинации для воды много меньше, чем для алюминия.

На рис. 38 представлены результаты измерений интенсивности атомарного пучка как функции входного потока молекулярного водорода. Зависимость имеет довольно широкий максимум в районе 1.2 мбар·л/с и характерный спад в области меньших и больших входных потоков. Очевидно, что при потоках меньше 1 мбар·л/с входной поток недостаточен. Падение же интенсивности при потоках свыше 1.3 мбар·л/с обусловлено как перерассеянием частиц внутри пучка, так и снижением степени диссоциации в пучке.

8x Tnozzle = 60 K Wdisso = 350 Вт 7x - q(O2) = 110 мбар л/с Dсист = 0. 6x Интенсивность, ат/с 5x 4x 3x 2x 1x 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3. Входной поток H2, мбар л/с Рис. 38: Зависимость интенсивности атомарного пучка от входного потока молекулярного водорода при температуре сопла Tnozzle = 62 K, радиочастотной мощности диссоциатора Wdisso = 350 Вт и дополнительном потоке кислорода q(O2) = 1·10-3 мбар·л/с.

Экспериментальные данные, полученные в ходе исследований зависимости интенсивности атомарного пучка от радиочастотной мощности, подаваемой в диссоциатор показаны на рис. 39. Рост интенсивности при увеличении радиочастотной - 79 мощности связан с увеличением степени диссоциации в пучке и практически повторяет зависимость степени диссоциации от мощности. При достижении радиочастотной мощностью значения 350400 Вт рост интенсивности прекращается и она выходит на постоянный уровень, что говорит о том, что при этих условиях достигнуто максимально возможное значение степени диссоциации в пучке.

8x 7x Tnozzle = 60 K - q(H2) = 110 мбар л/с 6x10 - q(O2) = 110 мбар л/с Интенсивность, ат/с Dсист = 0. 5x 4x 3x 2x 1x 100 200 300 400 Радиочастотная мощность диссоциатора, Вт Рис. 39: Зависимость интенсивности атомарного пучка от радиочастотной мощности, подаваемой в диссоциатор при температуре сопла Tnozzle = 62 K, входном потоке молекулярного водорода q(H2) = 1.2 мбар·л/с и дополнительном потоке кислорода q(O2) = 1·10-3 мбар·л/с.

Зависимость интенсивности атомарного пучка от температуры сопла была исследована для различных диаметров сопла (D = 2.0, 2.3, 2.5 мм) в диапазоне температур от 55 до 100 K. Результаты измерений представлены на рис. 40.

Наибольшая интенсивность пучка получена при использовании сопла диаметром D = 2.3 мм. При этом зависимость имеет хорошо выраженный максимум в районе 60 K, что согласуется с результатами моделирования. Различное положение максимумов связано с изменением распределения атомов по скоростям, определяемым не только температурой, но и геометрией самого сопла. Падение интенсивности в области высоких температур обусловлено быстрым ростом коэффициента рекомбинации с ростом температуры поверхности сопла. Это подтверждается и измерениями степени диссоциации в пучке. С понижением температуры ухудшается проводимость области - 80 вокруг сопла, что приводит к ослаблению газовой струи из-за рассеяния на остаточном газе.

Для сравнения на рис. 40 показаны результаты измерений интенсивности трех лучших на сегодняшний день источников поляризованного атомарного водорода и дейтерия: HERMES ABS [61], PINTEX (IUCF) [62] и источник поляризованных ионов Мюнхенского университета [63].

D = 2.0 mm PINTEX 7.5x10 D = 2.3 mm HERMES D = 2.5 mm LMU Muenchen Dсист=0. 7.0x Интенсивность, ат/с 6.5x 6.0x 5.5x 5.0x 4.5x 4.0x 50 60 70 80 90 100 Температура сопла, K Рис. 40: Зависимость интенсивности атомарного пучка от температуры сопла для различных диаметров сопла (D = 2.0, 2.3, 2.5 мм). Радиочастотная мощность, подаваемая в диссоциатор Wdisso = 350 Вт, входной поток молекулярного водорода q(H2) = 1.2 мбар·л/с и дополнительный поток кислорода q(O2) = 1·10-3 мбар·л/с. Для сравнения показаны результаты измерений интенсивности источников HERMES (), PINTEX ( ) и источника поляризованных ионов Мюнхенского университета ().

4.1.5 Выводы С целью получения максимальной интенсивности атомарного пучка, в основном определяющей плотность мишени в эксперименте на ускорителе, была исследована ее зависимость от различных параметров источника. В ходе этой работы были созданы:

· прибор для измерения интенсивности пучка нейтральных атомов, в котором впервые была реализована возможность перемещения в 3-х плоскостях, что существенно облегчило задачу определения положения будущей накопительной ячейки относительно источника;

- 81 · система подачи неполяризованного газа (UGSS), позволяющая создавать известный поток газа, которая была использована как при калибровке компрессионной трубки, так и планируется для использования в тестовых экспериментах с накопительной ячейкой на ускорителе COSY;

· методика измерений, учитывающая возможные систематические ошибки;

Проведенные исследования позволили установить оптимальные рабочие параметры источника поляризованного атомарного пучка и получить интенсивность пучка (7.5±0.2)·1016 атомов/с [60], что на ~10% превосходит лучшие мировые показатели для источников такого типа. Задавшись планируемыми параметрами накопительной ячейки (L = 400 мм, D = 10 мм, T = 100 K), полученная на ANKE ABS интенсивность будет соответствовать эффективной плотности мишени ~1.7·1014атомов/см2.

4.2 Пространственное распределение плотности пучка Как уже отмечалось, плотность мишени имеет сильную зависимость ( n µ D -3 ) от диаметра горизонтальной трубки накопительной ячейки. Диаметр D определяется в основном геометрическими размерами пучка накопительного кольца и, следовательно, не может быть рассмотрен как один из параметров в процессе оптимизации плотности мишени. Тем не менее, принимая во внимание тот факт, что плотность мишени линейно зависит от интенсивности атомарного пучка, инжектируемого в вертикальную трубку накопительной ячейки, она может быть увеличена за счет более полного использования пучка. Иными словами, геометрические размеры вертикальной трубки должны соответствовать геометрическим размерам атомарного пучка источника. В связи с этим представляется важным измерить и оптимизировать пространственное распределение плотности атомарного пучка, создаваемого источником.

4.2.1 Приборы и методика измерений Для измерений пространственного распределения плотности атомарного пучка был использован квадрупольный масс-спектрометр (QMS23), закрепленный на двухкоординатном столе (см. рис. 41) с возможностью перемещения в пределах Dx,y = ±12.5 мм. Положение QMS по вертикали соответствовало положению вертикальной трубки накопительной ячейки. С целью исключения эффекта интегрирования по площади апертуры QMS, над чувствительным объемом была Quadrupole Mass Spectrometer - 82 установлена диафрагма диаметром 2 мм. Для обеспечения фоновых измерений был применен прерыватель пучка, установленный над диафрагмой.

Базовый фланец источника Вторая группа спин-сепарирующих секступольных магнитов Двухкоординатный манипулятор Квадрупольный масс-спектрометр Прерыватель атомарного пучка К насосу Рис. 41. Схема установки для измерения профиля атомарного пучка.

4.2.1.1 Квадрупольный масс-спектрометр Структурная схема QMS изображена на рис. 42.

Молекулы или атомы водорода, попадая в чувствительный объем, ионизуются потоком электронов с энергией ~ 70 эВ, создаваемым электронной пушкой и втягиваются посредством постоянного потенциала в фильтр масс. Фильтр масс представляет собой электрическую квадрупольную линзу, к электродам которой подается высокочастотное напряжение U + V cos wt как показано на рис. 43.

- 83 детектор масс-фильтр ускоряющие электроды катод устойчивые неустойчивые траектории траектории Рис. 42. Структурная схема квадрупольного масс-спектрометра. Сплошные линии – устойчивые, штрих-пунктирные – неустойчивые траектории ионов.

y r x U+V cos wt Рис. 43. Упрощенная схема масс-фильтра.

Уравнения движения ионов в квадрупольном фильтре масс имеют вид x m&& + 2q (U + V cos wt ) r 2 = x y m&& - 2q (U + V cos wt ) 2 = 0.

y (79) r && = mz Решения уравнений системы (79) показывают, что для ионов движущихся в камере анализатора имеются как устойчивые, так и неустойчивые траектории в зависимости от соотношения амплитуды высокочастотного и постоянного напряжений [17, 19]. Ионы, движущиеся по неустойчивым траекториям, нейтрализуются на - 84 электродах анализатора. Движущиеся же по устойчивым траекториям достигают детектора, в качестве которого используется либо цилиндр Фарадея (FC) либо вторичный электронный умножитель (SEM).

Разрешающая способность анализатора (rM) зависит от отношения напряжений h = U/V [17, 19] M 0. rM =, h max = 0. = (80) DM 1 - h / h max При отношении h h max ионы всех масс независимо от других параметров поля имеют неустойчивые траектории. Из уравнения (80) следует, что для достижения большей разрешающей способности отношение h /h max должно быть максимально стабильным. Таким образом, напряжения U и V при развертке масс-спектра изменяются совместно, а их отношение поддерживается с высокой точностью.

4.2.1.2 Электроника Электронное оборудование, обеспечивавшее процесс измерений схематически изображено на рис. 44.

Для управления QMS использовался блок Masstorr DX, содержащий все необходимые модули для обеспечения различных режимов работы, таких как измерение парциальных давлений и развертки масс-спектра.

Аналоговый сигнал из модуля Masstorr DX поступал на 8-разрядный цифровой осциллограф (Tektronix 2440) используемый в качестве быстрого аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Рабочая станция (Physics Computer на рис. 44), связанная с АЦП посредством интерфейса GPIB (IEEE 488) записывала все 1024 канала масс спектра и посылала все необходимые параметры на компьютер системы управления (Control Computer на рис. 44) через UDP интерфейс24 в он-лайн режиме. Подобная конфигурация сделала систему гибкой для выполнения различных измерений, т.к.


единственным изменением являлась замена соответствующего программного обеспечения на рабочей станции, в то время, как остальная система оставалась неизменной.

Показанные на рис. 44 модули S7-300 являются основными элементами системы «медленного» контроля и отвечают за управление источником как в штатном режиме, так и в критических ситуациях.

User Datagram Protocol - 85 Control parameters PHYSICS CONTROL COMPUTER COMPUTER Measured Results (WinCC) GPIB (IEEE 488) PROFIBUS DP SIMATIC S7-300 S7-300 SIMATIC S7- GATEWAY HF Generator PROFIBUS DP PROFIBUS DP RS-232/RS- 2* PID Control Channels to Tektronix Scope Stepper Motor MKS devices (Mass Spectrum) HCG HCG Control ET200M (FM 355 + FM353) Pfeiffer PROFIBUS devices Keithley Multimeter I/Os to Intensity device Binary + Analog I/Os to Vacuum System PID + CHOPPER Рис. 44. Система контроля и сбора данных, использованная при измерениях степени диссоциации.

4.2.2 Юстировка сопла На рис. 45, 46 показаны результаты измерений профиля пучка атомарного водорода. Заштрихованная область соответствует геометрическим размерам вертикальной трубки накопительной ячейки.

Асимметрия распределения может быть вызвана двумя эффектами:

· ось сопла не совпадает с оптической осью системы;

· ось одного или нескольких секступольных магнитов не совпадает с оптической осью системы.

140. 138. 137. 135. 134. 133. 131. 130. 128. 127. 126. 124. 123. 121. 120. 20 119. 117. 116. 115. 113. 140 112. 110. 109. 108. 106. 105. 103. Сигнал QMS, отн. ед.

102. 101. 99. 98. 120 96. 95. 94. 92. 91. 15 89. 88. 87. 85. 84. 100 83. 81. 80. 78. 77. 76. 74. Y, мм 73. 71. 70. 69. 80 67. 66. 64. 63. 62. 10 60. 59. 57. 56. 55. 60 53. 52. 51. 49. 48. 46. 45. 44. 42. 41. 39. 40 38. 37. 35. 34. 5 32. 31. 30. 28. 27. 26. 20 24. 23. 21. 20. 19. 17. 16. 14. 13. 12. 10. 02 9. 7. 4 6. 6 5. 8 мм 3. 2. 12 14 1. 0 5 10 15 16 18 Y, 20 X, мм X, мм Рис. 45. Распределение плотности атомарного водорода в пучке. Заштрихованная область соответствует геометрическим размерам вертикальной трубки накопительной ячейки.

- 86 140 120 Сигнал QMS, отн. ед.

Сигнал QMS, отн. ед.

100 80 60 40 20 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 X, мм Y, мм Рис. 46. Профили пучка атомарного водорода в плоскостях X и Y, соответствующие максимуму распределения на рис. 45. Заштрихованная область соответствует геометрическим размерам вертикальной трубки накопительной ячейки.

С целью исключения первого эффекта была произведена юстировка сопла относительной оптической оси источника. Процедура юстировки состояла из двух этапов: грубая юстировка с помощью двунаправленного лазера и тонкая юстировка с помощью QMS.

На первом этапе двунаправленный лазер был установлен на центральном фланце (7, рис. 13), определяющем оптическую ось источника. С помощью трех регулировочных винтов (11, рис. 13), расположенных под 120, диссоциатор был установлен таким образом, чтобы луч лазера проходил через центр фланца подачи газа (1, рис. 19). Второй луч был использован для установки QMS на оптической оси источника.

Процесс тонкой юстировки заключался в нахождении максимума показаний QMS, находящегося на оптической оси, при последовательном изменении положения регулировочных винтов. Позиция регулировочных винтов измерялась соответствующими микрометрами N1, N2, N3. На рис. 47 показана характерная зависимость показаний QMS от положения регулировочного винта N1. Найдя максимум этой зависимости путем аппроксимации, например полиномом второй степени, и повторив процедуру для оставшихся регулировочных винтов N2 и N3, можно утверждать, что ось сопла совмещена с оптической осью источника.

- 87 Сигнал QMS, отн. ед.

1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5. N1, мм Рис. 47. Зависимость сигнала квадрупольного масс-спектрометра от положения регулировочного винта N1.

4.2.3 Полученные результаты После юстировки сопла была произведена повторная серия измерений распределения плотности атомарного водорода в пучке, результаты которой представлены на рис. 48, 49. Как видно из иллюстраций, распределение плотности атомарного водорода в пучке стало симметричным, что говорит о том, что именно несовпадение оси сопла с оптической осью источника привело к асимметрии в распределении, измеренном вначале (рис. 45, 46).

120. 117. 115. 113. 111. 109. 106. 104. 102. 20 100. 120 98. 95. 93. Сигнал QMS, отн. ед.

91. 89. 87. 100 84. 82. 80. 78. 76. 73. 71. 80 69. Y, мм 15 67. 65. 62. 60. 58. 56. 60 54. 51. 49. 47. 45. 43. 40. 40 38. 36. 34. 10 32. 29. 27. 20 22 25. 23. 20 21. 18 18. 4 16. 6 14. мм 10 12. 12 14 10. Y, 5 10 15 16 X, мм 18 X, мм Рис. 48. Распределение плотности атомарного водорода в пучке после юстировки сопла.

Заштрихованная область соответствует геометрическим размерам вертикальной трубки накопительной ячейки.

- 88 Сигнал QMS, отн. ед.

Сигнал QMS, отн. ед.

80 0 6 8 10 12 14 16 18 20 22 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Y, мм X, мм Рис. 49. Профили пучка атомарного водорода в плоскостях X и Y, соответствующие максимуму распределения на рис. 48. Заштрихованная область соответствует геометрическим размерам вертикальной трубки накопительной ячейки.

Анализ данных показывает, что центр тяжести измеренного распределения, определяемый как x Aij ij i j xc =, (81) A ij i j x x, y, где а A – сигнал квадрупольного масс-спектрометра, лежит в непосредственной близости (0.10.2 мм) от геометрической оси источника, координаты которой были определены с помощью лазера.

Помимо симметризации распределения, юстировка сопла привела также и к увеличению “коэффициента использования пучка”, который определяется как x 2 + y 2 RCT A( x, y)dxdy h= (82), A( x, y)dxdy где RCT – радиус вертикальной трубки накопительной ячейки, под интегрированием до бесконечности понимается интегрирование по радиусу вакуумной камеры. Если в первых измерениях, до юстировки сопла, коэффициент h = 0.426, то после ее проведения удалось добиться значения h = 0.477.

4.2.4 Выводы Для увеличения коэффициента использования пучка, т.е. отношения потока, инжектируемого в вертикальную трубку накопительной ячейки, к общему потоку, были - 89 проведены измерения распределения плотности атомарного пучка, создаваемого источником.

В результате работы были созданы:

· методика измерений, позволившая минимизировать систематические ошибки;

· прибор, на основе квадрупольного масс-спектрометра, для измерения двумерного распределения плотности атомарной компоненты в пучке;

· первая, в источниках такого типа, система лазерной юстировки элементов;

· уникальная методика высокоточной юстировки сопла, использующая симметрию пространственного распределения плотности атомарного пучка.

4.3 Степень диссоциации атомарного пучка Помимо распределения плотности, определяющего коэффициент использования пучка, представляется важным знать так же и степень диссоциации в пучке, поскольку наличие в нем молекулярной компоненты может привести к снижению интегральной поляризации мишени. В общем случае поляризация мишени ( Pt ) определяется как Pt = aPa + (1 - a ) Pm, (83) где a – степень диссоциации, Pa и Pm – поляризация атомарной и молекулярной компоненты. Поскольку степень диссоциации в мишени, в случае использования накопительной ячейки, может только уменьшаться за счет рекомбинации атомов на поверхности25, очень важно добиться максимального значения a в самом пучке.

4.3.1 Приборы и методика измерений Степень диссоциации была измерена с помощью квадрупольного масс спектрометра, принцип действия которого описан в п.4.2.1.1.

Определение степени диссоциации через атомарную и молекулярную плотности было дано в п.1.2. как - na n = 1 + 2 m.

a= d (84) n a + 2nm na Как следует из принципа работы QMS, описанного в п.4.2.1.1, его сигнал пропорционален числу ионов, которое определяется временем пребывания частиц в чувствительном объеме. Таким образом, для получения отношения nm/na, входящего в Для типичных условий в накопительной ячейке трехчастичной объемной рекомбинацией можно пренебречь.

- 90 выражение (84), отношение сигналов QMS Sm/Sa должно быть умножено на величину k v = v m / v a, где v m и v a – средние скорости, соответственно, молекул и атомов в пучке.

В предположении термализации газа, вылетающего из сопла, корректирующий kv = 1/ 2.

множитель Результаты измерений скоростных распределений (например [64], v a = (2.6 ± 0.6) 10 3 м/с и v m = (1.8 ± 0.5) 10 3 м/с) находятся в согласии с данным предположением, в пределах ошибки измерений.

Также должна быть произведена поправка на разницу в сечениях ионизации (kion) и эффективности регистрации (kd) атомарного и молекулярного водорода. Согласно данным работ [29, 43], отношение сечений ионизации для ( s H + ) и молекулярного (s H + ) атомарного водорода в диапазоне энергий электронов 6570 эВ, k ion = s H + / s H = 0.64.

+ Отношение эффективностей регистрации (kd) может быть измерено согласно методу, предложенному в [16]. При этом используется факт, что для цилиндра Фарадея kd = 1. Тогда e 1+ ( S a / S m ) SEM kd = =, (85) + e2 ( S a / S m ) FC где Sa и Sm – сигналы QMS после вычитания фона и учета процесса диссоциативной e 1+, 2 – коэффициент ионизации, пропорциональности между атомарным и молекулярным ионными токами и напряжениями сигналов на аноде SEM. Для использованного в измерениях QMS было определено значение kd = 0.84, что находится в согласии с результатами работы [16], в которых был использован тот же самый QMS.

Учет фоновых условий производился путем вычитания сигнала, измеренного при закрытом прерывателе пучка. После этого производилась поправка на процесс диссоциативной ионизации, описываемая ниже.

off off Обозначая через S a и S m сигналы QMS в отсутствии разряда, и делая предположение, что атомарная плотность в пучке при этом пренебрежимо мала, величина сигнала S a обусловлена лишь двумя процессами (с сечениями s1,2):

off H 2 + e - ® H + + H + 2e - (s 1 ) H 2 + e - ® H + + H + + 3e - (s 2 ) Тогда для значения истинных величин Sa = 0 и Sm можно записать S a = S a - dS m off off (86) S m = S m (1 + gd ), off - 91 где g = s 2 /s 1 и постоянная величина d, очевидно, d = S a / S m.

off off Таким образом, степень диссоциации определяется как Sa ad =, (87) S a + 2k v k ion k d S m где Sa и Sm сигналы QMS, учитывающие поправки на фон и диссоциативную ионизацию.

4.3.2 Степень диссоциации свободной атомарной струи Первым шагом по исследованию степени диссоциации в поляризованном пучке было нахождение оптимальных рабочих параметров диссоциатора. С этой целью перед установкой спин-сепарирующей магнитной системы были проведены измерения степени диссоциации свободной атомарной струи.

Квадрупольный масс-спектрометр был установлен в нижней вакуумной камере на расстоянии 650 мм от коллиматора, закрепленного на подвижной перегородке (см.

рис. 13). С целью улучшения фоновых условий на промежуточном фланце была установлена дополнительная диафрагма диаметром 5.3 мм. Результаты измерений степени диссоциации как функции входного газового потока, радиочастотной мощности и температуры сопла, описываемые далее, были получены путем обработки значений амплитуд пиков масс-спектра, соответствующих атомарному и молекулярному водороду [65].

Несмотря на опыт эксплуатации подобных установок, где применяется небольшая примесь кислорода для увеличения степени диссоциации, описанные измерения проводились с использованием лишь "чистого" водорода, что, тем не менее, позволяет понять основные закономерности изменения степени диссоциации при изменении параметров системы.

Величина входного газового потока является одним из наиболее важных параметров системы, определяющим интенсивность атомарного пучка. Результаты измерений в диапазоне входных потоков 0.32 мбар·л/с представлены на рис. 50. Как видно из графика, в диапазоне 0.31.4 мбар·л/с, a приблизительно линейно убывает от ~80 до ~55 % при температурах сопла от 50 до 100 K. При потоках 1.5 мбар·л/с и выше степень диссоциации стабилизируется на уровне ~50-55 %. Поскольку интенсивность атомарного пучка, инжектируемого в накопительную ячейку, во многом определяется атомарным потоком на входе в магнитную систему, должен быть найден оптимум между высокой степенью диссоциации и величиной входного потока. Например, для входного потока 0.3 мбар·л/с, что соответствует интенсивности ~1.1·1018 атомов/с и - 92 степени диссоциации a ~ 80 %, интенсивность атомарного пучка на выходе из сопла 1018 атомов/с;

при потоке 1.5 мбар·л/с (~5.6·1018 атомов/с) интенсивность атомарного пучка ~1018 атомов/с.

T=50 K T=60 K степень диссоциации (a), % T=70 K T=80 K T=90 K T=100 K T=110 K T=120 K 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2. входной поток, мбар л/с Рис. 50. Зависимость степени диссоциации (a) от входного газового потока для различных температур сопла и радиочастотной мощности W = 300 Вт Не менее важным параметром, оказывающим влияние на степень диссоциации, является радиочастотная мощность. Результаты измерений степени диссоциации как функции мощности в диапазоне 10350 Вт для больших и малых входных потоков представлены, соответственно, на рис. 51 и рис. 52.

степень диссоциации (a), % Q=0.2 мбар л/с Q=0.3 мбар л/с Q=0.5 мбар л/с Q=0.6 мбар л/с 0 50 100 150 200 250 300 350 радиочастотная мощность, Вт Рис. 51. Зависимость степени диссоциации (a) от радиочастотной мощности при низких входных потоках и температуре сопла T = 70 K.

На низких потоках уже при 150 Вт наблюдается насыщение степени диссоциации, в то время, как на высоких область насыщения сдвигается в область больших значений (250300 Вт).

- 93 Q=0.7 мбар л/с Q=0.8 мбар л/с степень диссоциации (a), % Q=1.0 мбар л/с Q=1.5 мбар л/с 60 Q=2.0 мбар л/с 0 50 100 150 200 250 300 350 радиочастотная мощность, Вт Рис. 52. Зависимость степени диссоциации (a) от радиочастотной мощности при высоких входных потоках и температуре сопла T = 70 K.

Приведенные результаты показывают, что при малых входных потоках даже без примеси кислорода достижимы достаточно высокие значения степени диссоциации.

При больших потоках эффекты рекомбинации в разрядной трубке или области между соплом и скиммером могут уменьшить степень диссоциации.

Размеры и расположение спин-сепарирующих секступольных магнитов были рассчитаны для скоростного распределения атомов, отвечающего температуре сопла 80 K. Таким образом, представляется важным изучить поведение a с изменением температуры сопла. Результаты измерений представлены на рис. 53.

степень диссоциации (a), % Q=0.5 мбар л/с Q=1.0 мбар л/с Q=1.5 мбар л/с Q=2.0 мбар л/с 40 50 60 70 80 90 100 110 120 температура сопла, K Рис. 53. Зависимость степени диссоциации (a) от температуры сопла при различных входных потоках и радиочастотной мощности W = 300 Вт.

Как видно, в диапазоне температур 60120 K степень диссоциации практически не меняется, что позволяет сделать заключение о том, что при этих температурах - 94 коэффициент рекомбинации на поверхности сопла практически не зависит от температуры.

Как уже было отмечено, доступ к источнику во время эксперимента ограничен, поэтому одной и основных характеристик диссоциатора является его надежность и стабильная работа. С целью исследования долговременной стабильности были проведены измерения степени диссоциации в течение суток при номинальных значениях параметров системы, которые оставались неизменными.

На рис. 54 представлены результаты этих измерений. Как видно из графика степень диссоциации оставалась практически постоянной в течение более 20 часов, что свидетельствует о надежной работе диссоциатора.

степень диссоциации (a), % Рабочие условия:

Tnozzle=70 K Q(H2)=1.5 мбар л/с Q(O2)= Wrf=300 Вт 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 время, час Рис. 54. Степень диссоциации как функция времени для характерных условий работы ANKE ABS.

4.3.3 Пространственное распределение степени диссоциации в поляризованном пучке На рис. 55 представлены результаты измерений пространственного распределения степени диссоциации в пучке в плоскости компрессионной трубки.

Заштрихованная область соответствует геометрическим размерам компрессионной трубки.

Как видно из иллюстраций, распределение степени диссоциации в пучке, как и ожидалось, не имеет ярко выраженного максимума. Это связано с тем фактом, что пространственное распределение плотности молекулярного водорода в пучке изотропно (см. рис. 56) поскольку магнитная система не оказывает никакого влияния на траектории молекул. В то же время распределение плотности атомарной компоненты - 95 пучка имеет ярко выраженный максимум (см. рис. 48, 49), что приводит к небольшому увеличению степени диссоциации в центре заштрихованной области.

0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 20 0. 0. 0. 0. 0. Степень диссоциации (a) 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0.8 0. 0. 0. 0. Y, мм 15 0. 0. 0. 0.7 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0.6 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0.5 0. 0. 0. 22 0. 0. 20 0. 18 0. 0.4 4 0. 6 0. м 10 0. м 10 0. Y, 5 10 15 16 X, м м 18 X, мм Рис. 55: Распределение степени диссоциации в пучке в плоскости компрессионной трубки.

Заштрихованная область соответствует геометрическим размерам компрессионной трубки.

Среднее значение степени диссоциации пучка в плоскости компрессионной трубки составило a = 0.82. Следует отметить, что измеренное значение степени диссоциации является существенно заниженным, поскольку определяется, в основном, изотропным фоном молекулярного водорода.

32. 31. 31. 31. 30. 30. 30. 30. 29. 29. 29. 28. 28. 28. 28. 27. 27. 27. 20 26. 26. 26. 26. 25. 25. 25. 25. 30 24. Сигнал QMS, отн. ед.

24. 24. 23. 23. 23. 23. 22. 22. 22. 21. 21. 21. 25 21. 20. 20. 20. 19. 19. 19. 19. 18. Y, мм 18. 15 18. 18. 17. 20 17. 17. 16. 16. 16. 16. 15. 15. 15. 14. 14. 14. 14. 15 13. 13. 13. 12. 12. 12. 12. 11. 11. 11. 11. 10. 10. 10 10. 9. 10 9. 9. 9. 8. 8. 8. 7. 7. 22 7. 7. 20 6. 5 6. 18 6. 5. 5. 16 5. 4 5. 6 4. 8 4. мм 12 4. 10 4. 12 14 5 10 15 Y, 16 X, мм 18 X, мм Рис. 56: Распределение плотности молекулярного водорода в пучке в плоскости компрессионной трубки. Заштрихованная область соответствует геометрическим размерам компрессионной трубки.

- 96 1.0 1. Степень диссоциации (a) Степень диссоциации (a) 0.9 0. 0.8 0. 0.7 0. 0.6 0. 0.5 0. 0.4 0. 0.3 0. 0.2 0. 0.1 0. 0.0 0. 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 6 8 10 12 14 16 18 20 22 X, мм Y, мм Рис. 57: Профили степени диссоциации пучка в плоскостях X и Y по центру компрессионной трубки. Заштрихованная область соответствует геометрическим размерам компрессионной трубки.

4.3.4 Выводы Для понимания возможных путей увеличения интенсивности и поляризации атомарного пучка были исследованы как степень диссоциации свободной атомарной струи в зависимости от различных параметров источника, так и ее распределение в поляризованном атомарном пучке. С этой целью были созданы:

· прибор для измерения плотности атомарного и молекулярного водорода в пучке на базе квадрупольного масс-спектрометра;

· методика измерений, позволяющая учесть влияние возможных систематических ошибок.

В результате проведенных измерений были установлены основные закономерности изменения степени диссоциации свободной атомарной струи в зависимости от параметров системы и установлены наиболее оптимальные значения этих параметров:

· входной поток водорода 0.51.5 мбар·л/с;

· радиочастотная мощность 300350 Вт;

· температура сопла 6080 K.

Впервые проведенные исследования пространственного распределения степени диссоциации в пучке поляризованных атомов показали, что:

· распределение степени диссоциации в пучке можно считать изотропным;

· среднее значение степени диссоциации в плоскости компрессионной трубки составило 82%.



Pages:     | 1 || 3 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.