Анотація до роботи:

Губарєв С.М. Інтенсивні пучки важких іонів в плазмовій лінзі. - Рукопис. - Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.04 - фізична електроніка. Інститут фізики НАН України, Київ, 2004.

Дисертацію присвячено дослідженню керування широкоапертурними інтенсивними пучками важких іонів середніх енергій (3-20 кеВ) за допомогою плазмової лінзи, а також вивченню пучково-дрейфової нестійкості, що збуджується в лінзі.

Вивчені характеристики ПЛ при роботі з інтенсивними пучками важких іонів. Завдяки зменшенню моментних і мінімізації сферичних і динамічних аберацій ПЛ досягнуті коефіцієнти стиснення іонного пучка в фокусі, які значно перевищили раніше отримані значення при роботі з пучками більш легких іонів водню. На основі моделі двокомпонентного квазінейтрального плазмового середовища лінзи з аномальною дифузією електронів зроблена оцінка максимально досяжної напруженості статичного керуючого електричного поля лінзи.

Визначені умови збудження в ПЛ пучково-дрейфової нестійкості, обумовленої радіальним градієнтом напруженості магнітного поля, і її вплив на фокусування іонного пучка. Знайдені інтегральні і дисперсійні характеристики коливань, пов'язаних з вказаною нестійкістю, визначені їх інкременти і частоти. Показано, що інкремент збудження таких коливань максимальний при мінімальних значеннях аксіального хвильового числа.

Вперше в діапазоні слабих магнітних полів виявлено радикальне подавлення колективних процесів у ПЛ. При цьому зменшуються сферичні і динамічні аберації, суттєво покращуються фокусуючі властивості лінзи. Для пояснення покращення фокусуючих властивостей лінзи в діапазоні слабких магнітних полів запропонована і розглянута модель самоорганізації плазмового середовища, при якій у лінзі встановлюється ізодрейфове обертання електронної хмари навколо її вісі і немає причин для розвитку в ній пучково-дрейфової нестійкості.

У даній дисертаційній роботі експериментально досліджено керування плазмовою лінзою широкоапертурними інтенсивними пучками важких іонів середніх енергій (3-20 кеВ), вивчена пучково-дрейфова нестійкость, яка збуджується в ПЛ, а також з'ясований вплив вказаної нестійкості на якість фокусування іонного пучка.

На основі отриманих результатів можна сформулювати наступні висновки:

1. Встановлено, що фокусування широкоапертурних інтенсивних пучків важких іонів задовольняє принципам плазмооптики і внаслідок значних втрат електронів в плазмовому середовищі лінзи ефективне лише при жорсткій фіксації потенціалів на електродах лінзи.

   Показана ефективність використання ПЛ для керування інтенсивними пучками іонів важких хімічних елементів. Завдяки зменшенню моментних аберацій лінзи для інтенсивних пучків важких іонів досягнуті коефіцієнти стиснення пучка (K_j=25) і густина струму іонного пучка в фокусі лінзи (j_b=170 мА/см²), які набагато перевищили відповідні показники для пучків більш легких іонів водню.

   При зростанні сили струму іонного пучка відбувається збільшення електричного потенціалу в приосьовій області ПЛ, що призводить до деформації радіального профіля напруженості керуючого електричного поля. Внаслідок цього відбувається посилення сферичних аберацій лінзи і погіршення якості фокусування іонного пучка.

   4. Досліджена пучково-дрейфова нестійкість, яка збуджується в ПЛ, а також вплив нестійкості на інтенсивний пучок важких іонів, який фокусується. Зокрема визначені дисперсійні характеристики обумовлених нестійкістю коливань. У результаті розв'язання лінійного тривимірного дисперсійного рівняння малих коливань показано, що максимальні інкременти збудження нестійкості реалізуються при мінімальних значеннях аксіального хвильового числа. При цьому частоти, на яких розвивається нестійкість, і інкремент її зростання одного порядку з іонною ленгмюрівською частотою.

   5. У діапазоні слабких магнітних полів лінзи виявлено подавлення пучково-дрейфової нестійкості. При цьому в лінзі встановлюється оптимальна топографія керуючого електричного поля, яка відповідає мінімальним сферичним і динамічним абераціям, завдяки чому вдалося значно покращити її фокусуючі властивості. Порівняно з плазмооптичним режимом роботи лінзи досягнуті більш високі значення густини струму іонного пучка в фокусі і повного струму пучка, що проходить лінзу.

   6. На основі результатів проведених теоретичних і чисельних досліджень статичних і динамічних властивостей ПЛ в умовах, близьких до експериментальних, дано пояснення виявленого в діапазоні слабких магнітних полів покращення фокусуючих властивостей лінзи.

   Таким чином, результати проведених досліджень демонструють ефективність і перспективність використання електростатичних плазмових лінз для керування інтенсивними пучками важких іонів. Уперше виявлене в діапазоні слабких магнітних полів покращення фокусуючих властивостей лінзи відкриває можливість створення ПЛ на основі постійних магнітів з поліпшеними експлуатаційними характеристиками.

   Результати проведених модельних лабораторних експериментів були успішно підтверджені в експериментах на дослідницькому високодозному іонному імплантері в Лоуренсівській Берклівській національній лабораторії (Берклі, США).

Публікації автора:

1. A. Goncharov, S. Gubarev, A. Dobrovolskii, I. Litovko, I. Protsenko “Intense Ion Beams in High-Current Plasma Lens”, “Вопросы атомной науки и техники” –Харьков, 1999, series: Plasma Physics, Issues 3 (3), 4 (4), стр.206-208 (здобувач брав участь у постановці задачі, конструював необхідні засоби вимірювання параметрів іонно-пучкового плазмового середовища ПЛ, проводив відпрацювання методики вимірювань та експериментальні дослідження, обробляв одержані експериментальні результати, брав активну участь в їх обговоренні і інтерпретації, а також у підготовці та написанні статті).

2. A. Goncharov, S. Gubarev, A. Dobrovolskii, I. Protsenko, I. Litovko and I. Brown “Moderate Energy Metal Ion Beam Focusing by a High-Current Plasma Lens” “IEEE Transactions on PLASMA SCIENCE” New York, August 1999, vol. 27, N 4, pp.1068-1072 (здобувач брав участь у постановці задачі, конструював необхідні вимірювальні зонди та вузли, проводив експериментальні дослідження, брав участь в інтерпретації отриманих результатів, в підготовці та написанні статті).

3. А.А.Гончаров, С.Н.Губарев, А.Н.Добровольский, В. И. Литовко, И.М.Проценко “Особенности фокусировки пучков тяжелых ионов сильноточной плазменной линзой”, “Физика плазмы”-Москва 2000, том 26, №9, стр.838-844 (здобувач створював необхідні засоби вимірювання параметрів іонно-пучкового плазмового середовища ПЛ, їх монтаж, проводив експериментальні дослідження керування ПЛ інтенсивних пучків важких іонів, обробляв одержані експериментальні результати, брав участь в їх обговоренні та інтерпретації, в підготовці та написанні статті).

4. A. Goncharov, S. Gubarev, A. Dobrovolskii, I. Litovko, I. Protsenko “Non-linear electron structures in high-current plasma lens”, журнал “Вопросы атомной науки и техники” –Харьков, 2000, №1 серия: Плазменная электроника и новые методы ускорения (2), стр.229-233 (здобувач брав участь у постановці задачі, налагодженні експериментальної установки, проводив відпрацювання методики вимірювання і експериментальні дослідження, зокрема - знаходив дисперсійні характеристики коливань, обумовлених розвитком в ПЛ пучково-дрейфової нестійкості, також брав участь в обговоренні та інтерпретації здобутих експериментальних результатів, підготовці та написанні статті).

5. A.A.Goncharov, S.N.Gubarev, V.I.Maslov, I.N.Onishchenko. Effects of Vortices on Ion Beam Focusing in Plasma Lens. Problems of Atomic Science and Technology. Kharkov. 2001. N 3. P. 152-154 (здобувач брав участь в теоретичних розрахунках по знаходженню властивостей пучково-дрейфової нестійкості, що збуджується в сильнострумовій ПЛ, обговоренні отриманих результатів).

6. О.Гончаров, С. Губарєв, А. Добровольський, І.Проценко, І.Браун “Високострумова плазмова лінза для фокусировки широкоапертурних пучків металевих іонів”, VII українська конференція з керованого термоядерного синтезу та фізики плазми, Київ, Вересень, 1999р. Збірник анотацій, ст.11.

7. Goncharov A.A., Gubarev S.N., Litovko I.V., Protsenko I.M. “Intense Ion Beams in the High-Current Plasma Lens”, VI Ukrainian Conference and School on Plasma Physics and Controlled Fusion as a Section of Conference “Physics in Ukraine”. Alushta (Crimea, Ukraine), September 14-20, 1998, Book of Abstracts, p.112.

8. A. Goncharov, S. Gubarev, A. Dobrovolskii, I. Protsenko, I. Litovko and I. Brown “Moderate Energy Metal Ion Beam Focusing by a High-Current Plasma Lens”, 18-th International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum. Eindhoven, The Netherlands, August 17-21, 1998, vol. 2, pp.625-629.

9. А.А.Гончаров, С.Н.Губарев, А.Н.Добровольский, И.М.Проценко, I.G.Brown “Некоторые особенности фокусировки пучков тяжелых ионов сильноточной плазменной линзой”, Тезисы докладов XXVI Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС. 5-9 апреля 1999г., стр.171.

10. S. Gubarev, A. Goncharov, A. Dobrovolskii, I. Litovko and I. Protsenko “Experimental investigations of electron wave structures in High-Current Plasma Lens” XIX-th International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum. September 18-22, 2000 Xi’an, China, vol.2, pp.625-628.

11. A. Goncharov, S. Gubarev, I. Protsenko and I. Brown “Investigation of focusing properties of the high-current plasma lens in the range of low magnetic fields” 12-th Symposium on High-Current Electronics Proceedings. September 24-29, 2000, Tomsk, Russia, pp.177-180.

12. Goncharov A., Gubarev S., Protsenko I., Brown I. “Influence of magnetic field strength on the focusing properties of a high-current plasma lens" Book of Abstracts VIII Ukrainian Conference and School on Plasma Physics and Controlled Fusion, Alushta (Crimea, Ukraine), September 11-16, 2000, p.127.