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Development of an ECR Ion Source using liquid-helium-free superconducting solenoid coils

机译:使用无液氦超导螺线管线圈开发ECR离子源

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摘要

著者は,世界初の液体Heフリーの超伝導ソレノイドコイルを用いたECRイオン源の製作を行った。このシステムは,容易な操作性,少ない電力と冷却水の消費量,高いプラズマ閉じ込め磁場を同時に実現する画期的な物である。そして,この超伝導ソレノイドコイルによって実現できた高いプラズマ閉じ込め磁場と,長いプラズマチャンバー,プラズマチャンバー内壁上のアルミ酸化物の効果により,14.5 GHzを用いたECRイオン源としては,Xe35+で1μAという世界一の多価イオンビームを作り出せるイオン源となった。 加えて,バイアス電極法に関する実験により,バイアス電極法はイオン閉じ込め時間の最適化を行っていることを明らかにした。そして,バイアス電極法は,イオン源の最適化に非常に有効であることを明らかにした。 さらに,本イオン源の開発により,クラスターの液相から個相の相転移を伴う大クラスターの崩壌現象の観測が,世界で初めて可能になった。 Over the last several years, we have been constructing a facility for experiments to study the dynamic behavior of metal clusters in various processes, such as fission and multi-fragmentation. One of the main capabilities of this facility is the production of multiply ionized metal clusters through soft peripheral collisions with highly charged ions. The collisions occurs when the beam of metal clusters crosses a beam of highly charged ions. To produce the intense beam of highly charged ions for this experiment, we constructed an Electron Cyclotron Resonance Ion Source (ECRIS) using a liquid-He-free superconducting magnet. The new source uses Gifford-McMahon refrigerators for cooling the solenoid coils instead of liquid He. This feature allows us to avoid the higher costs in consuming liquid He, the complicated operation and bulkiness of ordinary superconducting magnets using liquid He. To implement this magnetic system efficiently, we determined the optimum configuration for the solenoid coils, the axial position of the yoke, in addition to the optimum operational parameters, such as the current in the coils. Also we determined the optimum shape of the hexapole magnet. A maximum axial magnetic field of 3 T and a radial magnetic field of 1 T on the plasma chamber wall are provided with this magnetic system. Microwaves of 14.5 GHz (maximum power of 2 KW) are used for heating the plasma. The new type ECRIS was named SHIVA (Superconducting without liquid He ECR Ion source for Various Atomic cluster experiments). In addition, experiments to determine the optimum conditions of the source have been preformed. SHIVA excelled in producing intense highly charged ion beams. We obtained a current of 5.7 μA of Xe32+, 3.8 μA of Xe33+ and 0.9 μA of Xe36+. These set world records for beam intensities of highly charged Xe ions extracted from an ECRIS using 14.5 GHz microwaves. In comparison with other high performance ECRISs using 14.5 GHz microwaves, we found that the long plasma chamber, the high magnetic field and the aluminium cylinder of SHIVA achieves longer ion confinement time and more intense beams of highly charged ions. The long plasma chamber, the high magnetic field and the aluminum cylinder on the wall of the plasma chamber are essentials in producing intense beams of highly charged ions.
机译:作者使用液态无氦超导螺线管线圈制成了世界上第一个ECR离子源。该系统是划时代的产品,可实现易操作性,低功耗和冷却水消耗,并同时具有较高的等离子体约束磁场。由于超导螺线管线圈实现了高等离子体约束磁场,较长的等离子体腔室以及氧化铝对等离子体腔室内壁的影响,Xe35 +是世界上最大的ECR离子源,在14.5 GHz频率下为1μA。它成为可以产生多电荷离子束的离子源。此外,对偏置电极法的实验表明,偏置电极法可优化离子束缚时间。并阐明了偏置电极方法对于优化离子源非常有效。此外,这种离子源的发展使得世界上首次能够观察到具有从液相到团簇的单个相的相变的大团簇的坍塌现象。在过去的几年中,我们一直在建造一个用于研究金属团簇在裂变和多碎片等过程中动态行为的实验设施,该设施的主要功能之一是生产多电离金属团簇通过与高电荷离子的软性外围碰撞发生碰撞。当金属簇束穿过高电荷离子束时发生碰撞。为产生高电荷的强离子束,在本实验中,我们构建了电子回旋共振离子源(ECRIS)使用无液态He的超导磁体。新的来源使用Gifford-McMahon冰箱代替电磁波He来冷却电磁线圈。此功能使我们避免了消耗液态He的较高成本,普通超导的复杂操作和庞大体积使用液体He的磁铁。为了有效地实施此磁性系统,我们确定了鞋底的最佳配置除了最佳工作参数(例如线圈中的电流)以外,我们还确定了磁轭的轴向位置,还确定了六极磁体的最佳形状,最大轴向磁场为3 T,径向磁场为最大。该磁系统在等离子体室壁上提供了1T的热能。使用14.5 GHz微波(最大功率为2 KW)来加热等离子体。新型ECRIS被称为SHIVA(无液体He ECR超导离子源,用于各种原子团簇实验)此外,已经进行了确定离子源最佳条件的实验.SHIVA在产生强烈的高电荷离子束方面表现出色。这些比较世界记录记录了使用14.5 GHz微波从ECRIS提取的高电荷Xe离子的束强度。与使用14.5 GHz微波的其他高性能ECRIS相比,我们发现长等离子体室,高磁场和SHIVA的铝制圆柱体可实现更长的离子束缚时间和更强的高电荷离子束。长等离子体室,强磁场和等离子体室壁上的铝制圆柱体是必不可少的产生强烈的高电荷离子束

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