ELEKTRON CIKLOTRON REZONANCIA IONFORRÁS I.
- ÚJ LEHETŐSÉG A MAGYARORSZÁGI NEHÉZION-FIZIKÁBAN

ECR Ionforrás az ATOMKI-ban

Biri Sándor,
Pálinkás József,
Serényi Dénes
MTA ATOMKI

Az elmúlt évtizedben végbement változások tendenciáit tekintve megállapítható, hogy a gyorsítókra alapozott atom- és atommag-fizikai kutatások egyik legfontosabb területévé a nehézion-ütközések tanulmányozása vált. Magyarország részvétele a kutatás nemzetközi munkamegosztásában megköveteli atom- és atommagfizikai kutatásainknak a nehézion-ütközések irányába való kiterjesztését. A kontrollált magfúzió megvalósítására irányuló kísérletek is számos atomfizikai paraméter ismeretét igénylik, amelyek kísérleti és elméleti vizsgálata a Nemzetközi Atomenergia Ügynökség által koordináltan folyik. Ezen vizsgálatokba történő bekapcsolódás tudományosan és a majdani technológia szempontjából szintén alapvetően fontos.

A debreceni Atommagkutató Intézet kísérleti atom és atommagfizikai alapkutatásai, valamint az ezekből kinőtt analitikai és egyéb gyakorlati alkalmazások nagyrészt részecskegyorsítókra alapozott kutatások, amelyek az intézet gyorsítóparkjára támaszkodnak. Ez a gyorsítópark az intézet története során kevés ráfordítással, az igényektől és a fejlett ipari országokban végbement fejlődéstől időben. rendszerint lemaradva ugyan, mégis logikus lépésekkel, fejlődött. 1962: kaszkád generátor, 1969: Van de Graaff generátor (VdGl), 1979: Van de Graaff generátor (VdG5), 1985: ciklotron. Utóbbi, bár nemzetközi összehasonlításban a kisebbek közé tartozik, jelenleg az ország legnagyobb energiájú részecskegyorsító berendezése.

A világban, végbemenő változások iránya és az intézeti kutatások természetes fejlődése így egyaránt egy nehézion-fizikai berendezés létesítését tették az ATOMKI instrumentális fejlesztéseinek következő logikus lépésévé.

Az ATOMKI kutató kollektívája mindezek alapján 1991-ben javaslatot tett egy elektron ciklotron rezonancia (a továbbiakban: ECR) típusú ionforrásra alapozott nehézion-fizikai berendezés létesítésére. Egy ECR ionforrás (vagy ECRIS - ECR Ion Source - a továbbiakban mindkét elnevezést használjuk) amellett, hogy önállóan is használható (kisenergiás tartomány 20 keV/nukleon energiáig), könnyen csatlakoztatható egy elektrosztatikus, lineáris vagy rádiófrekvenciás kvadrupól (RFQ) gyorsítóhoz (közepes energiájú tartomány 200 keV/nukleon energiáig), és elvileg az ATOMKI ciklotronjához is (nagyenergiás tartomány 4 MeV/nukleon energiáig). Így létrehozható egy különleges nehézion-gyorsító, amely Közép-Kelet-Európában nem áll rendelkezésre.

Jelen 3 részes tanulmány első részében először nagyon röviden, mintegy előzetesként, bemutatjuk az ECR ionforrást, majd rövid áttekintést adunk az európai nehézion laboratóriumokról, végül az ATOMKI ECR ionforrásával megvalósítható tervezett alap- és alkalmazott kutatásokról. A második részben részletesen ismertetjük az ECR ionforrások történetét, működési elvét és az ATOMKI-ECR felépítését. A harmadik részben beszámolunk a legutóbbi nemzetközi ECR-workshopról, a szakterületen tapasztalt legfrissebb tendenciákról.

A javasolt berendezés kulcseleme az ECR ionforrás. Működésének lényege az, hogy mágneses csapdában forró plazmát állítunk elő, melyből igen erősen lefosztott ionok vonhatók ki. Az ionforrás fő részegységei: vákuumkamra, minimum-B típusú teret formáló mágneses rendszer, mikrohullámú generátor és kivonó rendszer. A plazmát a kívánt térrészben megtartó mágneses teret állandó mágnesek és szolenoidok megfelelő kombinációja állítja elő. A plazmába becsatolt GHz-es frekvenciájú elektromágneses hullám szerepe az elektronok felgyorsítása. Az így keletkezett nagyenergiájú elektronok ionizálják a bebocsátott atomokat, illetve továbbionizálják a már meglévő ionokat, majd az erősen lefosztott ionok elektrosztatikus módon kivonásra kerülnek a plazmából. A legkorszerűbb ECR ionforrások ily módon hidrogéntől neonig teljesen lefosztott ionokat, neon fölött például Ar¹⁶⁺, Kr²⁵⁺ és U³⁰⁺-t is képesek előállítani, ami korábban nem volt lehetséges a hagyományos (például Penning-típusú) forrásokkal. A nyaláb intenzitása az elért lefosztástól függ, Ar¹¹⁺ esetén például 10-20 μA általában gond nélkül elérhető.

Az ionnyaláb energiáját a lefosztottság mellett a plazmakamrába beépített kilépőrés és a kamrán kívül elhelyezett úgynevezett kivonórés közötti potenciálkülönbség (pontosabban a két mennyiség szorzata) szabja meg. A kamra általában 5-30 kV potenciálra van emelve a földpotenciálon lévő kivonóréshez képest, így - a részecsketípus és a lefosztás megfelelő beállításával - a kivont nyaláb energiája gyakorlatilag közel nullától körülbelül 1 millió elektronvoltig tetszőlegesen beállítható.

Az ECR ionforrás működéséről részletesebben a sorozat második részében szólunk.

A táblázatban - a teljesség igénye nélkül - összefoglaltuk a főbb európai nehézion laboratóriumokban üzemelő (vagy megépítés alatt álló) ECR típusú ionforrásokat. A táblázatból is érzékelhető, hogy az ECR ionforrások mennyire nélkülözhetetlené váltak az ütközések atomi, valamint magreakció kutatások, és az alkalmazások területén.

A táblázatban nem szerepeltetett Európán kívüli (elsősorban Egyesült Államokbeli és japán) laboratóriumokat is beleszámítva ma mintegy ötven 5-18 GHz frekvenciájú ECR ionforrás található szerte a világon.

Ausztria - A bécsi Műszaki Egyetemen nemrégiben helyeztek üzembe egy 5 GHz-es ECR ionforrást ion-atom és ion-felület ütközések vizsgálatára.

Ukrajna - A kijevi Atommagkutató Intézet 250 cm-es ciklotronjához - mely jelenleg is tud nehéz ionokat gyorsítani - ECR ionforrást szándékoznak vásárolni.

Románia - A bukaresti Fizikai Intézet 9 MV terminálfeszültségű elektrosztatikus tandem gyorsítójához egy lineáris utógyorsítót építettek és elkezdődött egy 14 GHz frekvenciájú ECR nehézion-forrás megépítése.

Jugoszlávia - Belgrádban, a Boris Kidric Intézetben projectet dolgoztak ki a Vinca gyorsítólaboratórium meg alkotására, melynek lényeges eleme egy szupravezető ECR ionforrás.

Rövidítések: cik - ciklotron külső ionforrása, rad - radioaktív nyalábok, teszt - tesztelés alatt, atom - atomfizikai alkalmazás, lin - injektor lineáris gyorsítóhoz, szinkr - szinkrotron injektor, rfq - injektor RFQ gyorsítóhoz, k+f - ECR kutatás-fejlesztés.

Oroszország - Dubnában, az Egyesített Atomkutató Intézetben elkészült és próbaüzem alatt áll a DECRIS-14 ECR ionforrás, mely a tervek szerint az U-400 gyorsítóhoz csatlakozik majd.

Lengyelország - A Varsói Egyetem Nehézion Laboratóriumában a Közép-Európai Kezdeményezés keretében elkészült és már sikeresen üzemel egy 200 cm-es (K=156) ciklotron, mely a tervek szerint néhány éven belül ki fog egészülni egy külső ECR ionforrással.

Mint látható, Kelet-Közép-Európában is lényeges erőfeszítéseket tesznek nehézionok gyorsítására. Amennyiben Magyarország nem lépne előre ebben az irányban, pár év alatt a közeli országokhoz képest is lényeges lemaradás várható.

A javasolt ECR ionforrásra alapozott nehézion-fizikai berendezés a teljes elérhető energiatartományban felhasználható atomfizikai vizsgálatokban, vagy ahhoz közel álló területeken. Az atomfizikai kutatások kifejezést itt meglehetősen széles értelemben használjuk, s ebbe beleértjük az ion-atom ütközések, ion-szilárdtest, ion-szilárdtestfelületi kölcsönhatások, ionok és polimerek, ionok és élő sejtek kölcsönhatásainak atomi szintű vizsgálatát, sőt az asztrofizika, a fúziós kutatások és a plazmafizika bizonyos területeit is.

Az ion-atom ütközések kutatásának egyik alapindítéka az atomi folyamatok és paraméterek pontos megismerése, és ezen pontos ismeretek alapján az anyag extrém körülmények közötti viselkedésének előrejelzése, kiszámítása, magyarázata. Atomi ütközésekben lényegében tetszőleges “atomi anyag" (tetszőleges ionizáltsági fokú és állapotú ionok összessége) előállítható. Ezen szokatlan “anyagban" kísérletileg megfigyelhetővé válnak olyan folyamatok, amelyek az anyag szokásos állapotaiban nem szembetűnőek, fontos szerepet kapnak azonban elvi-elméleti szempontok vagy asztrofizikai és laboratóriumi plazmafolyamatok, szilárdtest-effektusok megértése szempontjából.

Külön is kiemelésre érdemes az elektron transzfer folyamatok ismeretének fontossága lassú, erősen lefosztott ionok atomokkal való ütközésekor. A megfigyelhető nagy hatáskeresztmetszetek mérésével az asztrofizika, a fúziós kutatások és általában a plazmafizika alapjait képező ismeretekhez juthatunk. Az ATOMKI-ban folyó kutatások közül - példaként - két területet emelnénk ki, amelyek a meglévő berendezésekkel azonnal folytathatók lesznek az ECR ionforrás nyalábján. Ezek: Auger-elektron kibocsátás az atomok (ionok) ütközés által végbemenő gerjesztésének következményeként, valamint primer elektron kibocsátás ütközésekben (különösen érdekesek az előreszórt elektronok).

Az ECR ionforrások különleges helyet foglalnak el az ionforrások és a részecskegyorsítók népes családjában. Egy ECR ionforrás egyrészt és elsősorban ionnyalábokat szolgáltató, tehát kutatást elősegítő eszköz, másrészt azonban maga is igen intenzív elméleti és kísérleti kutatások tárgya (már a tervezés-elkészítés szakaszában is!), mert pontos működése, a belsejében lejátszódó elemi folyamatok és azok kapcsolata a külső paraméterekkel még korántsem minden részletében ismeretes. Az ionforrás plazmájában végbemenő elemi folyamatok (ütközések, ionizáció, energiafelvétel a külső térből, stb.) tanulmányozásával igen fontos alapkutatás és emellett, mintegy melléktermékként, esetenként hasznos fejlesztés is végezhető. Az elemi folyamatok tanulmányozása történhet elméleti modellezéssel, vagy kísérletileg, például a kamrából kilépő röntgensugárzás vizsgálatával. Hasonlóképpen fontos információkkal szolgálhat a mágneses ioncsapda és a nagyfrekvenciás rezgési módusok modellezéses és kísérleti vizsgálata.

A magfizika, ezen belül a nukleáris spektroszkópia egyik legfontosabb irányvonala jelenleg szintén a nehézion-fizika. Ez ECR + ciklotron összekapcsolás után számos kísérlet válik lehetővé, belőlük a következőket emelnénk ki: nagyspinű állapotok tanulmányozása (rotációs sávok, back-bending, yrast nívók), a páratlan-páratlan magok proton-neutron többszörös nagyspinű állapotai, Coulomb-gerjesztés, mag-adat meghatározás (nehézion, xn) reakcióból.

Az ECR ionforrás plazmájában végbemenő elemi folyamatok következményeként a kamrában erősen gerjesztett, illetve “üreges" atomok-ionok képződnek, valamint nagyenergiájú elektronok csapódnak a kamra falába. Mindezek következményeként karakterisztikus és fékezési röntgen, valamint ultraibolya sugárzás keletkezik, mely alkalmasan kialakított geometria esetén kilép a kamrából. Így az ionforrás - bizonyos korlátozásokkal - röntgen illetve UV-forrásként is alkalmazható.

Egy ECR ionforrás és az ATOMKI ciklotronjának öszszekapcsolása esetén a gyorsítható ionok választéka a jelenleginek sokszorosára szélesedne, a nyalábok energiája - bizonyos feladatokhoz megfelelő intenzitás mellett ugrásszerűen megnőne. A számos ipari, orvosi stb. alkalmazási terület közül most csak a következőket említjük meg: nukleáris szűrők gyártása (mint az egyik legperspektivikusabb potenciális felhasználása terület); nukleáris analitika; kopásvizsgálat; bizonyos izotópok kismennyiségű előállítása kutatási, nyomjelzési célokra; nukleáris adatmeghatározás; nehézion-reakciók gerjesztési függvényeinek meghatározása alkalmazási célokra stb.

Az ECR ionforrás kitűnő paraméterekkel rendelkező, de nagyon összetett és igen drága berendezés (egy teljes rendszer világpiaci ára közel 1 millió dollár). Az ATOMKI a várható korlátozott pénzügyi támogatások tudatában az ionfonást már a kezdetektől intézeti kutatás-fejlesztés keretében szándékozott megtervezni és elkészíteni, felhasználva természetesen az ECR ionforrással már rendelkező laboratóriumok tapasztalatait.

A berendezés megépítése a tervek szerint több szakaszra oszlik. Először az ionforrás készül el és alapvetően kisenergiás atomfizikai vizsgálatokra lesz alkalmazva. Ezt követi az ionforrás felemelése egy 500 kV-os platformra, vagy csatlakoztatása egy (lineáris vagy RFQ) utógyorsítóhoz az elérhető energiatartomány kiszélesítése céljából. Bármely megoldás egy immár közepes energiájú részecskegyorsítót eredményezne; mely egy eddig valóban kevésbé kutatott energiatartományt fog majd át. Végül a forrás egy injektáló csatornán keresztül elvileg a ciklotronhoz is csatlakoztatható lesz.

A tervezett berendezés paramétererőt, megvalósíthatóságáról és felhasználásáról részletes tanulmány készült, mely több fórumon is pályáztatásra került. 1992 közepén a dolgozat a Világbank regionális műszerközpontok számára kiírt “Emberi erőforrások" című pályázatán szerepelt és a program első része (vagyis az ECR ionforrás megépítése) közét 30 MFt támogatásban részesült az Országos Tudományos Kutatási Alapból (szerződés száma: A077).

Mint említettük, az ECR ionforrás kisenergiás gyorsítóként önállóan is alkalmazható körülbelül 50 kV potenciálig, ezen rendszer elkészítése az Atommagkutató Intézet jelenlegi első számú hosszú távú kutatási-fejlesztési programja. A téma fontosságára és a projekt sikeres végrehajtására való tekintettel az intézetben egy új csoport is alakult, melynek elsődleges feladata az ECR ionforrás megtervezése, megépítése és üzembe helyezése. Emellett természetesen folytatódnak az erőfeszítések a program teljes megvalósításához szükséges pénzügyi alapok megteremtéséért is. A debreceni ECR-program további részleteit a következő számban ismertetjük.

Az ECR ionforrás és általában az ionforrások iránt részletesebben érdeklődőknek ajánlunk egy nemrég megjelent magyar nyelvű munkát, mely az Akadémia kiadó “Az atomenergia és magkutatás újabb eredményei" című sorozatának legutóbbi, tizedik kötetében jelent meg: Biri Sándor - Részecskegyorsítók nehézionforrásai. Emellett a tárgykör igen részletes és mély feldolgozása található a következő műben: The physics and technology of ion sources, edited by Ian G. Brown, John Wiley & Sons, New York, 1989