Weak ion sound turbulence and isotope anomaly in electron cyclotron resonance ion source plasmas

Abstract

The production of highly charged ions is very efficient in highly ionized microwave heated plasma in an electron cyclotron resonance ion source (ECRIS). Recent experimental results have revealed that better production of highly charged ions is connected with appearance of weak ion sound turbulence arising due to decay instability of pumping wave in an ECRIS. In some theoretical papers different ions heating due to ion sound turbulence in an ECRIS was studied. Under appropriate conditions due to ion sound turbulence in mixture of two different gases light ions could be heated faster than heavy ions. Since confinement of ions will be the better the lower ion temperature, the differential ion heating enhances losses of preferentially heated light ion component, reducing at the same time losses of the less effectively heated heavy ions. This mechanism appears to be able to explain most of phenomena observed in experiments with “gas mixing effect”. The present article considers the “isotope effect” in an ECRIS plasmas within the model of ion turbulent heating.

Получение высоко зарядных ионов очень эффективно в высоко ионизированной нагретой микроволнами плазме в ионном источнике на электронном циклотронном резонансе (ИИЭЦР). Последние экспериментальные результаты показали, что лучшее получение высоко зарядных ионов связано с возникновением слабой ионно-звуковой турбулентности, возникающей благодаря распадной неустойчивости волны накачки в ИИЭЦР. В некоторых теоретических работах были изучены нагрев различных ионов за счет ионно-звуковой турбулентности в ИИЭЦР. При подходящих условиях, благодаря ионно-звуковой неустойчивости в смеси двух различных газов, легкие ионы могут быть нагреты быстрее, чем тяжелые ионы. Удержание ионов лучше при низких ионных температурах, различие в нагреве ионов усиливает потери преимущественно нагретой компоненты легких ионов, уменьшая в то же время потери менее эффективно нагреваемых тяжелых ионов. Появление этого механизма способно объяснить большинство явлений, наблюдающихся в экспериментах с «эффектом газовой смеси». Настоящая статья рассматривает «изотоп-эффект» в плазме ИИЭЦР в модели ионного турбулентного нагрева.

Одержання високо зарядних іонів дуже ефективне у високо іонізованій нагрітій мікрохвилями плазмі в іонному джерелі на електронному циклотронному резонансі (ІДЕЦР). Останні експериментальні результати показали, що краще отримання високо зарядних іонів пов’язане з виникненням слабкої іонно-звукової турбулентності, яка виникає завдяки розпадній нестійкості хвилі накачки в ІДЕЦР. В деяких теоретичних роботах були вивчені нагрів різних іонів за рахунок іонно-звукової турбулентності в ІДЕЦР. При підходящих умовах, завдяки іонно-звуковій нестійкості у суміші двох різних газів, легкі іони можуть бути нагріті швидше, ніж важкі іони. Утримання іонів краще при низьких іонних температурах, різниця у нагріві іонів підсилює втрати переважно нагрітої компоненти легких іонів, зменшуючи в той же час втрати менш ефективно нагріваємих важких іонів. Поява цього механізму здатна пояснити більшість явищ, що спостерігаються в експериментах з «ефектом газової суміші». Ця стаття розглядає «ізотоп-ефект» у плазмі ІДЕЦР у моделі іонного турбулентного нагріву.