ELEKTRON CIKLOTRON REZONANCIA IONFORRÁS III.

Nemzetközi ECR Ionforrás Workshop Groningenben

Biri Sándor,
MTA ATOMKI

A nemzetközi ECRIS workshopok sorozata 1978-ban kezdődött Karlsruhében. A fáma szerint a résztvevők akkor elfértek egy nagyobb asztal körül... Azóta a témában érdekeltek rendszeresen, egy-két évente találkoznak, többnyire valamelyik nyugat-európai vagy Egyesült Államok-beli ECR ionforrással rendelkező laboratórium szervezésében. A résztvevők létszáma és a találkozók iránt megnyilvánuló érdeklődés folyamatosan bővült, s bár mind a mai napig workshopként (legközelebbi magyar megfelelője talán: szeminárium, tudományos műhely) rendezik meg, egyre inkább a konferencia-jelleg dominál.

Az ionforrások általános reneszánszának jele, hogy a 70-es években elindított, majd gyorsan megszakadt Nemzetközi Ionforrás Konferenciákat 1989-ben újra életre keltették, s azóta rendszeresen, 2 évente megrendezik. Igen jellemző azonban az ECR források kitüntetett szerepére még az ionforrások népes családján belül is, hogy az ECR workshopok sorsát ez a tény nem befolyásolta. Úgy tűnik, még igen sokáig szükség és igény lesz e workshopok megrendezésére. A legközelebbire - mely már a 12. lesz - előreláthatólag Japánban kerül sor 1995-ben.

A Workshop a számok tükrében

A 11. Nemzetközi ECRIS Workshopot 1993. május 6-7-én tartották a hollandiai Groningenben. A rendező KVI intézetben a 80-as évek elejétől üzemel egy 10 GHz-es, Grenoble-ban készült MINIMAFIOS ECR ionforrás. Jelenleg egy újabb, 14 GHz-re tervezett ionforrás van készülőben, melynek próbaüzeme 10 GHz-en sikeresen megtörtént. Mindkét ionforrás ciklotron injektorként és atomfizikai kisenergiás gyorsítóként is funkcionál.

A találkozón több, mint 100 fő vett részt 18 ország 37 laboratóriumának képviseletében. A szóbeli előadások és a bemutatott poszterek száma meghaladta az 50-et.

Kelet- és Közép-Európából kevesen vettek részt, Magyarországról pedig egyedüliként én. Tudomásom szerint az ECR workshopok egész történetében is Magyarország most először képviseltette magát. Részvételem célja elsősorban információ, és tapasztalatszerzés, valamint ismeretségek kötése volt. Emellett, mint “új jövevény", egy poszteren bemutattam a debreceni ECR program helyzetét, valamint a cikksorozat előző részében már említett mágneses modellezés akkori eredményeit.

A cikksorozat jelen, befejező részében röviden összefoglalom a találkozó legfontosabb és legérdekesebb eredményeit. A tömörség kedvéért egy-egy munkára az első szerző (és utána, zárójelben, a laboratórium és város) nevével fogok hivatkozni, hisz fölösleges lenne mindannyiszor megadni a teljes jegyzőkönyv (Proceedings) adatait, mely a következő: Proceedings of the llth International Workshop on Electron Cyclotron Resonance Ion Sources (ECRIS 11), Groningen 1993, KVI-REPORT 996.

A találkozóra általánosan jellemző volt az elméleti munkák megnövekedett száma. Ez sok mindennel magyarázható. Jelentheti a kísérleti-technikai oldal bizonyos telítődését, de azt is, hogy az eddig más területen dolgozó elméleti fizikusok érdeklődését felkeltette a téma. A két, legnagyobb érdeklődéssel kísért előadást emelem ki.

Shirkov (JINR, Dubna) az ionok csapdázásának úgynevezett Klasszikus Modelljét alkotta meg és mutatta be. A modell a töltött részecskék rugalmas és rugalmatlan ütközésének, valamint a nyitott csapdákban végbemenő klasszikus részecskeveszteségek figyelembevételén alapul. A szerző az alábbi következtetéseket vonja le:

- a magasabb töltésállapotú ionok élettartama nagyobb és nehezebb elhagyniuk a plazmát, mint az alacsonyan lefosztottaknak;

- a pozitív ionok plazmán belüli átlagos töltése magasabb, mint a kivont nyalábé;

- az ionhűtés megnöveli az ionok élettartamát így a plazma átlagos iontöltését. Az ionhűtés azt jelenti, hogy az ionizálni kívántnál alacsonyabb rendszámú atomokat is bebocsátunk a kamrába. Az ezekből képződött ionok lefosztottsága is alacsonyabb és ez a “fő" ionok töltésének növekedését eredményezi, amennyiben a plazma elektronkomponensét változatlanul tartjuk. A hűtés szó arra utal, hogy eközben az ionok energiája (hőmérséklete) lecsökken.

A szerző az elméletet egy konkrét példára is alkalmazza. Ha kriptont nitrogén segédgázzal keverünk, akkor a kripton ionok eredetileg átlagosan 28 eV energiája 3 eV-ra csökken, míg átlagos töltésük 7-ről 28-ra nő. E módszer ECR ionforrásokra való alkalmazhatósága természetesen - gázkeverés néven - kísérletileg régóta ismert. A modell még néhány egyéb más, kísérletileg tapasztalt jelenséget is jól megmagyaráz.

Geller (CENG-PSI, Grenoble), az ECR ionforrások feltalálója és doyenje a plazmában terjedő elektromágneses hullámokat elemezte. A négy fő hullámból csak kettő játszik szerepet a plazma elektronkomponensének rezonancián alapuló hevítésében. Az úgynevezett X-hullámoknál a hullámterjedésből jól ismert k-vektor merőleges a B mágneses indukcióra, míg az R-hullámok esetén párhuzamos vele.

A hosszú és mély, miden eddiginél messzebb eljutó okfejtés végső konklúziója: az ECR-hevítés teljes megértése még hosszú folyamat lesz. Emellett sok diagnosztikai mérés és általában a plazma paraméterek pontosabb ismerete is szükséges.

Az alábbi ábrán - tipikus példaként - egy újonnan konstruált ECR ionforrás metszeti ábrázolása látható (Sekiguchi, INS, Tokió). Az ECR ionforrások működési elvét részletesen leírtuk az előző részben, így az ábrán lévő részegységek funkcióit itt most külön nem ismertetem. Ezen ionforrás jellegzetessége a szokásosnál kisebb ionizációs kamra (átmérője 5 cm). A rezonáns zóna hossza 5, átmérője 3 cm. Az axiális mágneses tér maximális értéke 1,2 Tesla, a radiális téré a kamra falán 0,8 Tesla. Próbaüzeme megtörtént, igen kiváló eredményekkel. Ezen ionforrás tipikus példája a mai korszerű ECR ionforrásoknak. Az ábra, és a forrás egyéb, itt most nem részletezett paramétereinek tanulmányozásával néhány gondolat szűrhető le ECR ionforrások tervezésének általános tendenciáiról a 90-es években:

- sok ionforrással ellentétben ennek az ionforrásnak “csak" egy fokozata van;

- az alkalmazott mágneses tér a lehető legerősebb, ebből következően a rezonáns zóna igen kicsi;

- az ionforrás úgynevezett kiegészítő egységekkel is el van látva (ezek az ábrán nincsenek feltüntetve), például elektronforrás, szilárd alapanyag ionizálását lehetővé tévő részegység, stb. Mindezekre kicsit részletesebben a következő fejezetben még visszatérek.

Az ECR ionforrások klasszikus három fő részegységéhez (mágneses rendszer, nagyfrekvenciás rendszer, mechanika) ma már egy negyediket is hozzátehetünk, melyet összefoglaló néven a szakirodalom először és azóta is gyakran “trükkök" néven emleget. Egy részük természetesen már ez előző találkozó(ko)n is bemutatásra került, azonban azóta vagy továbbfejlesztették őket, vagy a hozzájuk kapcsolódó elméleti háttér finomodott.

1. Plazma-elektróda. A 10. Találkozón Melin (CENPSI, Grenoble) egy sikeres kísérletről számolt be. A grenoble-i ECR ionforrások szinte minden paramétere javult azáltal, hogy a kamrába egy, magától a kamrától elektromosan elszigetelt fémrudat nyújtottak be és a fémrúdra kívülről szabályozható negatív potenciált kapcsoltak. Azóta számosan megismételték - mindenütt sikerrel. A magyarázat abban rejlik, hogy a plazma ionjait az elektróda vonzza, melyek beleütközve szekunder elektronokat váltanak ki. A plazma nagyenergiájú elektronjainak egy része is kivált szekunder elektronokat. Így az elektróda tulajdonképpen elektrondonorként funkcionál. A kvázisemlegesség követelményének megfelelően az ionkomponens átlagos töltésének ezáltal növekednie kell és valóban ez is történik. Az elektróda a lefosztottság és az intenzitás növelésén túl még a plazma stabilitását is jelentősen megnöveli. A workshopon többen is beszámoltak sikeres alkalmazásáról.
2. Első fokozat potenciálon. A plazma-elektróda sikerén felbuzdulva Nakagawa és társai (RIKEN, Saitama) egy eredetileg kétfokozatúnak épített ionforrás teljes első fokozatát szigetelték el és hasonlóképpen a plazmaelektródához, a fő kamráétól eltérő potenciált kapcsoltak rá. Az eredmény itt is hasonló volt, a nyalábáram minden töltésállapotban nőtt.

A fenti két “trükk" sikere egy mélyebb mondanivalóra is rávilágított. Nevezetesen, hogy valójában nincs szükség az úgynevezett első fokozatra, pontosabban az első fokozat szerepe elsősorban elektronok (nem pedig mint régebben vélték: alacsonyan töltött ionok) bejuttatása a fő ionizációs kamrába.

3. Elektronágyú. Ha az elektronok számának növelése segít, logikus ötlet egy elektronágyú alkalmazása. Ezt Lyneis (LBL, Berkeley) alkalmazta először. Nem egy rekordot tart még a mai napig is a Berkeley-beli AECR ionforrás. A módszer azóta tovább finomodott azonban hátránya, hogy a plazma-elektródához képest jóval drágább és bonyolultabb.
4. Szilárd alapanyag. Ionizálni vákuumbeli körülmények között legkönnyebben gázhalmazállapotú atomokat lehet. A csak szilárd állapotban fellelhető alapanyagok ionizálására is természetesen megvolt már kezdetektől az igény. A legfőbb probléma az, hogy szinte minden szilárd elem, vagy vegyület más előkészítési technológiát és ionizálási módszert igényel. A főbb módszerek, melyeket eddig ECR ionforrásokban alkalmaztak, a következők.

- Hasonlóan a plazma elektródához, itt egy hőálló kerámia rúd nyúlik be a segédgázzal fenntartott plazmába. A rúd végére néhány milligram mennyiségben erősítik fel az ionizálni kívánt anyagot. A találkozón Antaya (NSCL, MSU, East Lansing) mutatott be szép eredményeket Mo, Au és U-nal.

- Hitz (CEN-PSI, Grenoble) bravúros módon alkotott meg egy miniatürizált kemencét, mely elhelyezhető az ionizációs kamra közvetlen közelében. 37-szeresen lefosztott ólomról számolhatott be ily módon.

- Arje (JYFL, Jyväskylä) rendkívül gazdaságos MIVOC módszere olyan fémekre alkalmazható, melyeknek létezik magas természetes (vákuumbeli) gőznyomással rendelkező vegyülete. Igen jó eredményeket ért el vas ionokkal. Az alapanyag C₁₀H₁₀Fe por volt.

5. Szupergázkeverés (Super Gas Mixing). Lényegében az előző fejezetben leírt ionhűtés és a fentebb említett kerámia rudas szilárd alapanyagú ionizálási technika kombinációja. Antaya és társai (NSCL, MSU, East Lansing) dolgozták ki elsősorban urán ionok előállítására. A folyamat közben a mágneses teret, a segédgáz beömlését és a becsatolt elektromágneses hullám teljesítményét is megfelelő “forgatókönyv" szerint szabályozni kell. A módszer például 0,2 μA intenzitású, 36-szorosan lefosztott uránion nyalábot eredményezett.
6. Impulzus üzemmód. Ha az ionforrás impulzus üzemmódú gyorsító (például lineáris, vagy szinkrotron) injektora, akkor célszerű magát az ionforrást is impulzus üzemmódban üzemeltetni. Ez a rezonanciafeltétel periodikus “elrontásával" érhető el. Az impulzus lecsengésekor az úgynevezett “afterglow" jelenség figyelhető meg: a magasan lefosztott ionok árama a zérussá válás előtt hirtelen felszökik az eredetinél jóval magasabb értékre. Ez a mágneses csapda axiális “kinyílásával" magyarázható. E jelenség ily módon felhasználható olyan, igen nagy lefosztottságok (például Ar¹⁸⁺) produkálására is, melyek egyébként, folyamatos üzemmódban, nem állíthatók elő.
7. Radioaktív nyalábok. Elsősorban a magfizikus társadalom igényel rövid felezési idejű radioaktív nyalábokat. A találkozón többen is érintették ezt a témát, a technika ma még nem tekinthető sem egységesnek sem kiforrottnak. A Gaelens (UCL, Louvain-la-Neuve és KUL, Leuven) által beszámolt módszerhez két gyorsító szükséges. Az első szerepe megfelelő (körülbelül 30 MeV) energiájú proton-nyaláb előállítása, melyet az ECR ionforrás közelében lévő céltárgyra irányítanak. A magreakció eredményeképpen létrejött radioaktív atomok bediffundálnak az ECR forrás kamrájába, ahol a már megismert módon ionizálódnak. A radioaktív ionok ezután egy második gyorsítón továbbgyorsíthatók. A módszer bonyolult és költséges, viszont alkalmazásával valóban egy igen kevéssé lefedett terület kutatható. Az előadó ¹³N, ¹⁹Ne, ⁶He, ¹⁸Ne és ¹¹C ionokról számolt be.


A HyperECR inforrás metszeti ábrázolása. Az ábrán a tengelymenti mágneses indukció eloszlása is látható.

Diagnosztika

Jelen munkában már említés történt a plazmaparaméterek mérésének szükségességéről. Az alábbiakban két kiragadott példával szeretném érzékeltetni, hogy az ECRcsoportok maguk is mindinkább próbálják ezt megtenni és - az elméleti kutatások mellett - ez a terület mindinkább önálló kutatási ággá válik.

Röntgendetektálás. Briand (CEN, Grenoble) egy 18 GHz-en működő, impulzusüzemű MINIMAFIOS forrással teljesen lefosztott argon-magokat állított elő. A kísérő kemény röntgen-sugárzás spektrumának vizsgálatával megbecsülhető volt a plazma elektronjainak energiája és sűrűsége. A kapott értékek (10¹¹-10¹² cm^-3, valamint 10 és 100 keV közötti energia) igen jól egybevágnak más mérésekkel, illetve az elméletekkel. Több más csoport is végzett röntgen-méréseket, vagy ilyen mérések előkészületben vannak.

Plazmapotenciál. Az ECR ionforrás kamrájában lévő plazma kvázisemleges, de nem teljesen semleges. Nagyon alacsony energiájú, különböző töltésállapotú oxigén ionnyaláb gondos elemzésével Xie (LBL, Berkeley) arra a következtetésre jutott, hogy a plazma kifelé enyhén pozitív potenciálú, értéke 10-40 V. Amennyiben másodlagos elektronforrás is alkalmazásra kerül, e potenciál csökken ugyan, de nem válik zérussá, vagy negatívvá.

A legújabb ECR ionforrások

Több, mint tíz újonnan készített, vagy átalakított, továbbfejlesztett ECRIS került bemutatásra a workshopon. Általános jellemzőjük a sokszínűség, változatosság. Kis túlzással azt mondhatjuk, hogy nincs ma a világon két teljesen egyforma ECR ionforrás.

A már említett japán Hyper-ECR mellett feltétlenül megemlítendő a világ jelenleg egyetlen üzemelő szupravezető ECR ionforrása, az NSCL-beli (MSU, East Lansing) SC-ECR. Az ionforrás a 6-28 GHz tartományban képes működni, s bár egyelőre csak 6 GHz-en tesztelték le, máris rekord erősségű nyalábáramokat produkált néhány magas lefosztásnál. Radiális mágneses tere igen erős és emellett természetesen változtatható - ellentétben a szobahőmérsékletű NdFeB hexapólokkal.

Egy ultrakompakt, teljesen állandó mágnesekből álló ionforrás a NANOGAN, melyet Sortais (GANIL, Caen) mutatott be. Fogyasztása rendkívül kicsi, radioaktív nyalábok előállítására alkalmazzák.

Dubnában elkészült és próbaüzem alatt áll Kelet-Európa mindeddig egyetlen ECR ionforrása. Lényegében a klasszikus 10 GHz-es MINIMAFIOS-ok módosított, 14 GHz-es változata.

Az ECR ionforrások szülőhelyén és mind a mai napig “fővárosában", a grenoble-i Centre d'Études Nucléaires-ben egy 10 és 18 GHz közötti frekvenciatartományban működni képes kvadrupól ECR ionforrást helyeztek üzembe kifejezetten diagnosztikai célokra.

A fentieken kívül még számos más új ionforrás is bemutatásra került, közülük néhány 2,5 GHz frekvencián üzemelő, úgynevezett mikrohullámú ionforrás.

Szintén hasonlóképpen körülbelül 10 laboratóriumból érkezett híradás projektekről, tervezés, vagy megépítés alatt álló ECR ionforrásokról. Az ATOMKI szobahőmérsékletű ionforrása mellett még 5-6, ugyancsak 14 GHz-esre tervezett ionforrás van készülőben, közülük egy szupravezető (LNS, Catania). A JAERI intézetben (Takasaki) egy 18 GHz-es szobahőmérsékletű forrás építése van előrehaladott állapotban.

Konklúzió

Konklúzióként (vagy helyett) a következőket emelném ki, mint a workshop talán legfontosabb tanulságait.

A kétfokozatú ECR ionforrás immár a múlté. Bizonyítást nyert, hogy az első fokozat szerepe eddig is inkább az elektron-injektálás volt, mely viszont sokkal egyszerűbben és gazdaságosabban megoldható például egy plazma-elektródával. Az első fokozat elhagyása az ionforrások árának és fogyasztásának csökkenését is maga után vonja.

A radiális mágneses tér erőssége kulcsfontosságú, amennyiben igen nagy lefosztottság elérése a cél. Ezért nem elképzelhetetlen, hogy a szupravezető ECR ionforrások új reneszánsz előtt állnak, hisz a szobahőmérsékletű források mágneses tere tovább már jelentősen nemigen növelhető. A becsatolt elektromágneses hullám energiájának növelése azonban szükségtelen.

Továbbra is eldöntetlen kérdés az optimális frekvencia kijelölése az általánosan alkalmazott 6-18 GHz tartományon belül. Abban azonban konszenzus volt, hogy bőven van tennivaló mind az elméleti oldal, mind a kísérleti diagnosztikai mérések területén.

Végül, s ez talán a legfontosabb: az ECR ionforrások felhasználási területe folyamatosan bővül. Ma már nem csak gyorsítók külső ionforrásaként alkalmazzák őket, hanem önálló atomfizikai felhasználásuk és gyakorlati felhasználásuk is mind szélesebb körű.

Köszönetnyilvánítás

A 11. ECRIS Workshopon való részvételemet anyagilag az Európai Közösség ACCORD pályázata támogatta az Országos Műszaki Fejlesztési Bizottság ACCORD PIU Iroda közvetítésével. A szerződés sorszáma: H1992-0002.