ELEKTRON CIKLOTRON REZONANCIA IONFORRÁS II.

Biri Sándor,
Vámosi János
MTA ATOMKI

Az előző részben bemutattuk az ATOMKI ECR-programját, valamint rövid kitekintést adtunk az ECR ionforrások felhasználásáról és elterjedéséről. E számban magával az ECR ionforrással, fizikájával és történetével, valamint az ATOMKI-ECR felépítésével foglalkozunk.

Az ECR ionforrás felépítése és működési elve az 1. ábra alapján érthető meg. A gázkezelő rendszer által az ionforrás ionizációs kamrájába bejuttatott atomok és (a belőlük képződött) alacsony lefosztottságú ionok ionizációját a kamrában létrejövő plazma nagyenergiájú elektronjai végzik. A magas lefosztottság eléréséhez két feladatot kell megoldani.

1. Az ionokat hosszú időre a kamra belsejébe kell koncentrálni, más szóval az élettartamukat meg kell növelni. Ellenkező esetben gyorsan elérik a kamra falait, ahol rekombináció, áttöltődés stb. következtében a folyamat számára vagy elvesznek, vagy visszatérnek ugyan, de az ionizáltsági fokuk erősen lecsökken. A hosszú életidő azért is szükséges, hogy az elektronoknak legyen elég “idejük" őket magas töltésállapotig ionizálni. Az ionizáció általában step-by-step módon, vagyis sok lépcsőben történik.

2. Az elektronokat magas hőmérsékletre fel kell hevíteni, vagyis a belső héjak kötési energiájának is megfelelő, vagy annál nagyobb energiát kell velük közölni oly módon, hogy az ionok az energiafelvételből a lehető legkisebb arányban részesüljenek.

Az említett első feltétel teljesítését a kamra belsejében létrehozott speciális konfigurációjú mágneses tér végzi. E mágneses tér (melyet a mágneses rendszer állít elő, lásd az ábrán) egy longitudinális mágneses tükör és egy transzverzális multipólus szuperpozíciója. Előbbit általában két, vagy több nagyáramú szolenoid kelti. A multipólus hexa-, vagy ritkábban kvadru-, oktu-, dekapól konfigurációjú, a kamrát palástja mentén szorosan körbevevő állandó mágnes (az ábrán a sűrűn vonalazott rész). A szolenoidok tere axiális, a hexapólé radiális csapdát jelent a töltött részecskék számára. Szuperpozíciójuk így egy úgynevezett B-minimum geometriát hoz létre, melyben a mágneses tér bármely irányban nő, ha a térrész centrumából kifelé elindulunk. A szolenoidok terének keltéséhez szükséges elektromos teljesítmény adja az ionforrás összfogyasztásának döntő hányadát. E nagy teljesítmény miatt, valamint hogy a hőmérséklet emelkedése ne okozza az állandó mágnesek mágnesezettségének irreverzibilis csökkenését, a mágneses rendszer elemeit és (az általában duplafalú) kamrát erősen hűteni kell. Erről külön nagyteljesítményű víz-hűtőrendszer gondoskodik.

A töltött részecskék a mágneses erővonalak körül spirális mozgást végeznek. Ha a részecske a kisebb mágneses indukciójú térrészből a nagyobb felé mozog, akkor az erővonal menti sebességkomponense folyamatosan csökken, szélső esetben zérussá válik, majd előjelet vált, vagyis a részecske visszafordul. Így jön létre a mágneses csapda. Az erővonal mentén mért legnagyobb és legkisebb indukció hányadosát (B_max/B_min) nevezik tükrözési aránynak. Minél nagyobb a csapda erővonalaira vonatkozó tükrözési arány, annál hatékonyabb a csapda, annál kevesebb a kamra falán végbemenő rekombináció. Ha a tér miden irányban inhomogén, akkor a töltött részecskére az őt “vezető" erővonalra merőleges oldalirányú erő is hat, amelynek eredményeképpen a részecske igen bonyolult pályán fog mozogni. A mágnescsapdában mozgó töltött részecske pályáját a debreceni ECR ionforrást ismertető fejezetben mutatjuk be részletesebben.

Az elektronok energiát a kívülről becsatolt, nagyfrekvenciás, másnéven mikrohullámú elektromágneses térből nyernek. Ekkor az ionforrás plazmakamrája egyben üregrezonátorként is funkcionál. Ha megfelelő rezgési módusok jönnek létre az üregben, akkor lehetőség van az erővonalak körül keringő elektron és az elektromágneses tér között energiacserére rezonancia esetén, vagyis ha a keringés és a mikrohullám frekvenciája azonos. Ha ez a frekvencia és B a mágneses indukció (helytől függő) abszolút értéke a kamra belsejében, akkor az = (e/m) B rezonanciafeltétel egy közelítően megnyúlt tojás alakú zárt felületen, az úgynevezett rezonáns zónán teljesül (1. ábra). A kombinált mágneses térben bonyolult mozgást végző elektronok sokszor át meg átszelik ezt a felületet, s ekkor a fentebb ismertetett ciklotron rezonancia következtében (a ciklotron jelzőnek történeti oka van) az elektromágneses térből energiát képesek felvenni. Végeredményben több ezer elektronvolt energiára tehetnek szert. A tapasztalat szerint minél nagyobb a rezonanciafrekvencia (vagyis az alkalmazott mikrohullám frekvenciája), annál nagyobb az elérhető elektronenergia, amely végső soron az ionizációt és így a létrejövő ionok lefosztottságát meghatározza. Az ionok tartózkodási ideje elég nagy (több milliszekundum) ahhoz, hogy az elektronok őket több lépésben magas töltöttségig ionizálják. Maga az ionkomponens eközben viszonylag “hideg" marad, hisz az ionokra a rezonanciafeltétel nem teljesül.

Az erősen lefosztott ionok és az elektronok e keveréke sűrű, kvázisemleges plazmát képez a kamrában. Az ionveszteségek (töltéskicserélődés, rekombináció stb.) minimálissá tétele érdekében a nyomást a lehető legalacsonyabb szinten (p 10^-6 mbar) kell tartani, melyről a vákuumrendszer gondoskodik. Viszont a szükséges sűrű plazma (n 10¹²/cm³) fenntartása és folyamatos pótlása ilyen nyomáson nagyon nehéz. Ezért a plazmát néha a kamrán kívül, egy előző fokozatban állítják elő, ahol a nyomás magasabb. Ebben a plazma-injektor funkciójú első fokozatban p = 10^-3 mbar körüli nyomáson hideg, sűrű plazma keletkezik szintén ECR-kisülés révén. A plazma részecskéi (elektronok és alacsony lefosztottságú ionok) a mágneses erővonalak mentén átdiffundálnak a fentebb ismertetett fő ionizációs kamrába (második fokozatba). Az 1. ábrán az egyszerűség kedvéért egy egyfokozatú ionforrást ábrázoltunk.

Az ionok alkalmas potenciálú elektródával a kamrából kivonhatók. Az elektródák potenciáljának és optimális pozíciójának beállítása a kivonó rendszerrel lehetséges (1. ábra). A kiindulási alapanyag lehet gáz, vagy szilárd halmazállapotú. A gáz alapanyagok) bejuttatását a gázkezelő rendszer végzi. A szilárd alapanyag ionizálására több módszer ismeretes, melyekre itt most nem térünk ki és az ábrán sem ábrázoltuk.

A kivont részecskenyalábban általában a legkülönfélébb töltésállapotú ionkomponensek találhatók. Ezért a nyalábot egy analizátoron kell átvezetni, mely csak a kiválasztott töltés/tömegű részecskéket engedi át és továbbítja a céltárgyra.

Az ECR ionforrás (az ECRIS - ECR Ion Source - terminológia szintén használatos) felfedezése a hatvanas-hetvenes évek fúziós kísérleteire nyúlik vissza. Mágneses csapdában lévő plazma hevítése elektron ciklotron rezonancia révén régóta ismert magfúziós kísérletekből. Jelentős különbség van azonban a fúziós reaktor és az ECR ionforrás plazmája között. A plazma ionkomponensét fúziós kísérletekben forró, teljesen lefosztott könnyűionok, az ECR ionforrásban viszont részben lefosztott, hideg nehézionok alkotják.

Az első ECR ionforrást R. Geller francia fizikus készítette Grenoble-ban a 60-as évek végén, mely a MAFIOS (MAchine á Faire IOns Strippées) elnevezést kapta. Több későbbi változata viselte, vagy viseli valamilyen jelzővel ezt az elnevezést. A MAFIOS 10 GHz-es frekvencián működő, egyszerű mágneses csapdával ellátott ionforrás volt, amely az akkor legelterjedtebb Penning-típusú ionforrásoknál valamivel rosszabb eredményeket szolgáltatott. A 70-es évek közepén Geller - fölhasználva a MAFIOS tapasztalatait - egy fúziós kísérletekhez használt berendezést alakított át ionforrássá, mely a SUPERMAFIOS nevet kapta. Ez az ionforrás volt az első, mely már megközelítette a mai korszerű ECR ionforrások paramétereit, azonban nagy méretei (a fő plazmakamra hossza 100 cm, átmérője 35 cm volt), és nem utolsó sorban óriási fogyasztása (3 MW!) gyakorlati felhasználásra alkalmatlanná tették.

1. ábra. Az ECR ionforrás felépitése és részegységei. A kamra belsejében pontozott vonallal jelölve a rezonáns zóna metszete.

A 80-as évek elején a SUPERMAFIOS sikerének hatására számos laboratóriumban, több különböző irányban indult el és tart napjainkig is az ECR ionforrások fejlesztése. Eddig a világon több, mint 50 példány készült el számos változatban, jelenleg is körülbelül 10 van készülőben. Ezen források többsége egyedi tervezésű és készítésű. A legsikeresebbekből azonban több példány is készült, általában mindig egy kicsit módosított, továbbjavított változatban. Az ECR források túlnyomó többsége fantázianévvel rendelkezik, melyek egy része a “származásra" (például MINIMAFIOS), vagy az üzemeltető laborra, (például LBL-ECR), esetleg valamilyen speciális sajátságra utal (például LISKA - lítium ionok előállítására).

Az ECR ionforrásokat elsősorban az alkalmazott mikrohullám frekvenciája, valamint a mágneses csapda kialakításának módja szerint lehet csoportosítani.

A frekvencia a források túlnyomó többségénél a 2-18 GHz-es sávba esik, ezen belül azonban csak néhány, jól meghatározott érték az, melyek a gyakorlatban ECR források számára felhasználhatók. Ennek oka prózai: e mikrohullámú rendszereket a távközlés számára fejlesztették ki, mely csak néhány kitüntetett frekvenciasávot használ e tartományban. A főbb közepes frekvenciák GHz-ben: 2,45, 5,0, 6,4, 10,0 és 14,5. Az ECR ionforrások elsősorban e frekvenciák valamelyikén működnek, bár a szakirodalomban elvétve 7, 8, 16,6 és 18 GHz-essel is találkozhatunk. A felsorolt frekvenciák általában középértékek, melytől mindkét irányba a rendszerek néhányszor tíz MHz-ig hangolhatók.

A 2,45 és 5 GHz-en működő, maximum néhányszor tíz watt mikrohullámú teljesítményt használó ionforrások alacsonyan (1-5-szőrösen) lefosztott ionnyalábok előállítására alkalmasak. A 2,45 GHz-es ECR ionforrás a szakirodalomban mikrohullámú ionforrás néven is ismeretes. Mivel sokan ezt nem tekintik “igazi" ECR ionforrásnak, és felhasználási területe is más mint a többieké, bárhol, ahol e cikksorozatban az ECR ionforrások számát említettük, ezt a típust nem vettük figyelembe. Az érdekesség kedvéért megjegyezzük, hogy az elektromágneses hullámot számukra a háztartási mikrohullámú sütőkben is megtalálható magnetron állítja elő.

A 6, 4, 10 és 14,5 GHz-es források a legelterjedtebbek, körülbelül azonos arányban készültek eddig. A mirohullámú rendszerek maximális kimenő teljesítménye 2-3 kW, ebből az első ECR ionforrások 1-1,5 kW-ot követeltek, a mai korszerű változatok számára általában elegendő néhány száz watt is. Egy-egy munkában említés történik 16-18 GHz-es forrásokról is, de ezek a gyakorlatban nem terjedtek el.

Ha a frekvencia a 2-18 GHz-es sávba esik, akkor az első fejezetben említett alapegyenlet alapján a rezonáns mágneses tér értéke a 0,07-0,64 Tesla zónában van. Mivel a kamrában lévő mágneses tér maximális értéke általában legalább a rezonáns tér 1,5-2-szerese, a mágneses rendszernek 0,1-1,3 Tesla erősségű indukciót kell előállítania. E tartomány felső részének (0,8-1,3 Tesla) előállítása pedig sem technikailag sem gazdaságilag nem egyszerű feladat. A mágneses tér létrehozása alapján a következő csoportosítást tehetjük:

Szupravezető ionforrások. Az említett SUPERMAFIOS-t a szükséges több MW teljesítmény a mindennapi kutatási gyakorlatra alkalmatlanná tette. Ezen a hátrányon a források egy csoportjánál szupravezető mágnesesek alkalmazásával próbáltak és próbálnak segíteni. E megoldás nagy előnye, hogy a mágneses tér (a radiális is) jelentős tartományon belül változtatható, így sok különböző üzemmód kipróbálására nyílik lehetőség. A hátrányt természetesen a drága szupravezető- és cseppfolyós He-technika alkalmazása jelenti, valamint az, hogy egy alkatrészcsere, vagy egy esetleges kisebb, egyébként apró beavatkozást igénylő üzemzavar esetén is napokat kell várni a rendszer felmelegedésére, majd azt követően az újbóli lehűlésére. E típusból mindössze néhány darab készült, illetve készül, az eddigi eredmények és az előzetes tervek azonban rendkívül ígéretesek.

Állandó mágnesek használata mind a longitudinális, mind pedig transzverzális tér előállítására. Mivel ma még az állandó mágnes technika - bár az utóbbi időben sokat fejlődött - nem képes a magasabb frekvenciájú ionforrások számára megfelelő erős teret létrehozni, az ilyen ionforrás viszonylag alacsony (maximum 8 GHz) frekvencián működik. Fogyasztása természetesen extremálisan kicsi, csak a mikrohullámú generátor és az egyéb kiegészítő elektronika fogyasztására redukálódik. Hátránya, hogy a mágneses tér nagysága a legkisebb mértékben sem változtatható. A kisebb mágneses tér és frekvencia következtében közepesen lefosztott ionokat szolgáltatnak.

Állandó mágnes multipól és szobahőmérsékletű tekercsek kombinációja. Az ECR ionforrások legnagyobb csoportja. A multipól állandó mágnesekkel való megvalósításával jelentősen csökkenthető az elektromos fogyasztás, de a longitudinális tér változtatása lehetséges marad a tekercsek áramának módosításával (ezen keresztül pedig befolyásolható a rezonáns zóna mérete és pozíciója). Ezek az eszközök általában kis méretű, kompakt, 5-18 GHz-en működő, egy-, vagy kétfokozású ionforrások. Számos változatban a terjedt el. A hexapól alacsonyabb frekvenciák esetén SmCo, az utóbbi időben, illetve

magasabb frekvenciák esetén pedig a ma mindinkább elterjedő NdFeB permanens mágnesekből áll. Fogyasztásuk maximum 50-150 kW.

Mikrohullámú ionforrások. Mint említettük a frekvencia szerint való csoportosításkor, a 2,45 GHz-en működő ionforrások lényegében külön csoportot alkotnak. Mágneses rendszerük is egyszerű, általában nincs hexapól, a tengelymenti teret két kis tekercs, vagy két megfelelően felmágnesezett és pozícionált állandó mágnes gyűrű kelti.

Az táblázatban összefoglaltuk, hogy a mai korszerű 6-14 GHz-es ECR ionforrásokkal körülbelül milyen intenzitású részecskenyalábok kaphatók néhány magasabb lefosztás esetén. A táblázatban a legkönnyebben ionizálható gázokat tüntettük fel, a többi gáz és a szilárd anyagok esetén az elérhető lefosztás az itt közölt értékeknél kisebb. A kisebb számok a tipikus értékeket, a nagyobbak pedig az egyik legsikeresebb ECR ionforrás, a grenoble-i CAPRICE által elért áramokat mutatják mikroamperben.

Megvizsgálva a különböző típusú ECR ionforrások ár/teljesítmény hányadosait, ismerve az ATOMKI ciklotronjára vonatkozó szigorú A/Q 4 feltételt (A és Q: ion tömege és töltése), valamint tanulmányozva a világon, az ECR-táborban uralkodó tendenciákat, egy szobahőmérsékletű, 14 GHz körüli frekvencián működő ionforrás megtervezése és elkészítése mellett döntöttünk. A döntésnél figyelembe vettük, hogy a szupravezető változat elterjedése a nyugati nagy laboratóriumokban is kevésbé jellemző és költségei jóval magasabbak, mint a kompakt változaté. A csak állandó mágnesekből álló ECR különleges (mágnes) gyártási technológiát igényel, nem tekinthető kiforrottnak, és - a fogyasztás kivételével - az eredmények sem kielégítőek még. Így mindenképpen egy szobahőmérsékleten működő ECR-ionforrás tűnt reális választásnak. E csoporton belül is több választási lehetőség volt. Alapvető kérdés a frekvencia kijelölése, mert ez határozza meg a geometriai méreteket és a szükséges mágneses teret. Bár az ECR-ciklotron összekapcsolás egyelőre csak távlati elképzelés, az ionforrás tervezésekor feltétlenül figyelembe kellett vennünk, mint jövőbeni potenciális lehetőséget. Figyelembe véve, hogy az ATOMKI ciklotron kis mérete miatt rajta nehézionok csak viszonylag magas lefosztással gyorsíthatók (Ar¹⁰⁺, Kr²¹⁺, Xe³³⁺ fölött), a 10 GHz vagy annál alacsonyabb frekvencia választása esetén a ciklotronon alacsony intenzitások lennének elérhetők, különösen az argonnál nagyobb rendszámú elemek esetén.

2. ábra. A debreceni ECRIS számára választott 24 szegmenses hexapól elrendezés. A szegmensekben nyilak jelzik a mágnesezettség irányát. Az ábrán feltüntetett néhány erővonal mutatja a létrejövő tér szerkezetét.

Ez fokozottan érvényes a nem-gázhalmazállapotú részecskékre melyekből általában alacsonyabb lefosztottságú és intenzitású ionnyalábok nyerhetők mint gázokból. Egy 14 GHz-nél magasabb frekvencián működő ionforrás elkészítése pedig a nagyfrekvenciás generátor valószínűleg igen magas ára miatt ütközne leküzdhetetlen nehézségekbe. A 14 GHz-es ionforrások a többi típusnál nagyobb mértékű elterjedése más laboratóriumokban is megfigyelhető volt a 80-as évek végén és a 90-es évek elején. Néhány olyan nyugat-európai laboratórium, melyekkel intézetünknek jó tudományos kapcsolata van (például a louvain-la-neuvi egyetem Ciklotronkutató Központja vagy a frankfurti egyetem Magfizikai Intézete), szintén 14 GHz-es ECR ionforrással rendelkezik, vagy ilyen típusú ionforrásuk van kifejlesztés-megépítés alatt.

Ezért a debreceni ECRIS frekvenciáját a 14 GHz-es sávban határoztuk meg. A mágneses rendszer NdFeB fix terű hexapólból és változtatható terű szolenoidokból fog állni. Az ionforrás egyfokozatú lesz oly módon, hogy később, szükség esetén kétfokozatúvá is bővíthető legyen. A mechanikára vonatkozó legfőbb követelmény a modularitás. Az alábbiakban röviden összefoglaljuk a legfontosabb részegységek felépítését.

A mágneses rendszer tercezése. A frekvencia kiválasztása megszabja az ionforrás geometriai méreteit is, mivel a megfelelő rezgési módusok kialakulásának feltétele, hogy a kamra méretei bizonyos korlátok közé essenek. Ezek alapján a henger alakú kamra hossza 20 cm, átmérője 6 cm lett. A következő lépés a mágneses konfiguráció kialakítása és optimalizálása volt. Ebben a fázisban fölhasználtuk a frankfurti egyetem ilyen irányú tapasztalatait, ahol szintén hasonló ionforrás készül, melynek kísérleti beüzemelése ez év végére tehető. A cél a tervezés folyamán az állandó mágnesek és a tekercsek méretének, és ez utóbbiak fogyasztásának optimalizálása volt. A méretcsökkenté jelentős árcsökkenést eredményez az állandó mágnesek esetén , mivel az igen drága mágnesek piaci ára a térfogatukkal arányos. Ezzel párhuzamosan csökkenthető a tekercsek belső átmérője is, ami viszont azzal jár, hogy ugyanakkora mágneses tér elérése a tekercs belsejében kisebb külső elektromos teljesítmény bevitelét igényli.

A hexapól konfigurációra az úgynevezett Halbachelrendezést választottuk. Ebben az esetben a hexapólt nem egyszerűen 6 darab különálló mágnesrúd alkotja, hanem a különböző mágnesezettségi irányú szegmensek egy zárt gyűrűt alkotnak. Ezzel az elrendezéssel jelentősen megnövelhető belül a mágneses tér erőssége és csaknem kiküszöbölhető e tér nagyságának ingadozása amely egy adott sugár mentén azimutálisan mozogva egyébként igen jelentős lehet. Mivel ilyenkor a szomszédos szegmensek kölcsönhatása révén egy adott szegmensre nézve ellenterek is fellépnek, csak korszerű, nagy koercitív erejű, NdFeB ritkaföldfém mágnesek alkalmazása lehetséges. A 2.ábrán a hexapól elölnézeti képe látható. Az optimalizálás során erősen csökkentettük a hexapól külső átmérőjét a már létező hasonló ionforrásokban használt hexapólokéhoz képest. A számítások során kiderült, hogy jelentős térfogatcsökkentés (40 %) érhető el a mágneses tér számottevő csökkenése nélkül (< 10 %). A számított mágneses tér értéke a hexapól belső felületén 1,0-1,05 Tesla (a hexapól s így az ionforrás tengelyén szimmetriaokokból természetesen nulla).

Mivel a hexapól külső átmérője csökkent, vele együtt csökkenthetővé vált a longitudinális teret előállító tekercsek belső átmérője is.

3. ábra. Az ATOMKI-ECRIS mágneses rendszerének vázlatos metszeti ábrázolása a tervezés jelenlegi szakaszában. 1, 2 - lágyvas elemek, 3 - szolenoidok, 4 - NdFeB hexapól.

A mágneses tér növelése és ezzel párhuzamosan az elektromos fogyasztás további csökkentése érdekében viszonylag vastag (5 cm) lágyvas burkolatot alkalmaztunk a tekercsek körül és célszerűnek látszott speciális lágyvasgyűrűk elhelyezése a hexapól végeinél. A mágneses rendszer méretarányos elrendezése a 3. ábrán látható. A vasak alkalmazásával sikerült az elektromos teljesítményfelvételt az eredetileg tervezett.. 120 kW-ról 80 kW alá csökkenteni. A maximális mágneses tér a rendszer tengelyén, a szolenoidok középsíkjában (lásd a 3.ábrát) 1,1 Tesla, a kamra közepén körülbelül 0,4 Tesla. Így longitudinálisan is teljesül az a feltétel, hogy a térnek belülről kifelé haladva növekednie kell. A kétféle tér összegeként létrejövő struktúra mind axiálisan, mind radiálisan igen jó (> 2) tükrözési aránnyal rendelkezik.

4.ábra. Elektron pályája a rezonáns zóna belsejében és felületén

A szabadon felhasználható POISSON/PANDIRA mágneses tér számoló programcsomagot használtuk a számításokhoz. Ennek segítségével mind a hexapól, mind a tekercsek esetén külön-külön megkapható a mágneses indukcióvektor értékei a vizsgált térrészben. A program kétdimenziós problémamegoldáshoz készült, így figyelembe kellett venni az elrendezés szimmetriáját. Az összetett 3 dimenziós tér azonban így nem volt tanulmányozható. Ráadásul az optimalizálást nem lehet pusztán az indukcióvektor ismeretében végrehajtani. Szükség van olyan paraméterek kiszámítására, amelyek szoros összefüggésben vannak a majdan létrejövő plazma és így a kivont ionnyaláb paramétereivel. Ezért kifejlesztettünk egy olyan programcsomagot (TrapCAD), amely a POISSON/ PANDIRA kimeneti adatállományait felhasználva grafikus környezetben teszi lehetővé a fontos paraméterek kiszámolását, valamint az összetett tér tanulmányozását. Ennek segítségével a plazmakamra tetszőleges pontjából indítható erővonal és meghatározható az erővonalakra vonatkozó tükrözési arány, amely alapvető tényező a kamrában fellépő veszteségek szempontjából és a mágneses csapda hatékonyságára is jellemző. Ugyancsak meghatározhatóak a rezonáns zóna paraméterei, úgymint a hossza, átmérője, térfogata és felszíne, amelyek szintén jelentős hatással vannak az ionizáció folyamatára. Sok egyéb funkciója mellett a TrapCAD-del lehetséges egy töltött részecske mozgásának szimulációja is a mágneses csapdában. Ezt mutatja a 4. ábra, ahol egy, a rezonáns zóna felületéről indított elektron útja látható 4 különböző nézetből megjelenítve a pálya könnyebb elképzelhetősége miatt. Az erősen inhomogén mágneses tér következtében az elektron nem egy erővonal mentén oszcillál, hanem bejárja a rezonáns zóna egész térfogatát. A rezonáns zónát szintén feltüntettük az ábrán. A könnyebb áttekinthetőség végett csak a mozgás egy szakaszát, egy teljes zárt pálya körülbelül felét ábrázoltuk, valamint valójában a pályaspirál mindenkori középpontjának mozgását. Ez utóbbi azonban jelen esetben alig jelent különbséget, mivel a spirál sugara igen kicsi a pálya méreteihez képest. A különböző nézetek az AutoCAD tervező szoftverrel lettek megjelenítve, mivel a TrapCAD program a modellezett 3 dimenziós objektumokat (erővonal, rezonáns zóna, részecskepálya) az AutoCAD számára beolvasható formában is tudja tárolni. A TrapCAD szoftver megítélésünk szerint igen hasznosan alkalmazható egyéb területeken (például az oktatásban) is.

Az ATOMKI ECRIS mágneses rendszerének tervezése 1993 végére lezárult. A megtervezett részegységek - a hexapól és a tekercsek, valamint tápegységeik - a kiválasztott gyártóktól megrendelésre kerültek.

Nagyfrekvenciás rendszer. Megvásárlásra került és jelenleg tesztelés alatt van az ionforrás legdrágább részegysége, a 14,5 GHz frekvenciájú, 2 kW teljesítményű, klisztronra alapozott nagyfrekvenciás generátor. A nagyfrekvenciás rendszer többi része (a generátort az ionforrással összekötő csőtápvonal, szigetelő ablakok, diagnosztikai elemek stb.) tervezés alatt van.

Kivonó rendszer. Az ionforrás kamrája a földön lévő kivonóréshez képest 5-30 kV pozitív potenciálra lesz emelve. A ciklotronba való injektáláshoz kevesebb (10-15 kV) feszültség is elegendő lenne, ha viszont az ionforrás egyszerre gyorsító is (mint ez esetben), akkor kívánatos a minél szélesebb energiatartomány lehetőségének megteremtése. A kivont részecskenyaláb energiáját ugyanis a kamrafeszültség és a lefosztás szorzata adja. A várható legmagasabb elérhető lefosztás 30-33 körül várható, így esetünkben a teljes elérhető energiatartomány néhány keV-től 1 MeV-ig fog terjedni. A kivonóelektródák számítógépes modellezése ez év folyamán esedékes.

Az ionforrás többi részegysége (mechanikai elemek, vákuum- és gázkezelőrendszer, hűtőrendszer, nyalábvezetés és diagnosztika) jelenleg tervezés alatt van. A tervek szerint az ionforrás első próbaüzemére 1995 második felében kerül sor, a felhasználók számára pedig 1996-tól válik fokozatosan hozzáférhetővé.

Az ECR ionforrás működéséről és paramétereiről további, részletesebb információk találhatók a következő szakirodalmakban: C.M. LYNEIS: ECR Ion Sources for Accelerators (in Proc. 13. Int. Conf. Cycl. Appl., Vancouver, 1992) és R. GELLER: ECRIS - The Electron Cyclotron Resonance Ion Sources (Ann. Rev. Nucl. Sci., 40, 1990, pp. 15-43).

A sorozat következő, befejező részében összefoglaljuk a legutóbbi nemzetközi ECR-találkozó eseményeit és részletesen bemutatunk néhány sikeres, működő ECR ionforrást.