Способ ускорения заряженных частиц в электронных кольцах

 

СПОСОБ УСКОРЕНИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ В ЭЛЕКТРОННЫХ КОЛЬЦАХ, заключающийся в инжекции электронов в магнитное поле и формировании электронного кольца , накоплении ионов путем ионизации нейтральных частиц, поступающих 3 кольцо, и сжатий электронно-ионного кольца в магнитном поле, напряженность которого возрастает во времени , отлича, ющийся тем, что с целью упрсицения способа ускорения и ;уменьшения поперечных размеров выведенного из ускорителя пучка ионов , нейтральным частицам придают начальную скорость, формируют их в пучок и инжектируют в электронное кольцо по касательной к нему, а после сжатия сформировавшегося электронно-ионного кольца направляют дополнительный поток нейтральных частиц в область вывода ионов из 15 электронного кольца перпендикулярно его плоскости для компенсации пространственного заряда электронов в этом месте и выводят ионы из кольца и далее из магнитного поля.

1102061

Изобретение относится к ускорительнои технике, а именно к области ускорения положительных ионов электронны-. ми кольцами, и может быть использовано для целей изучения физики твердого тела и исследований ион-атомных столкновений °

Известен способ индукционного ускорения электронов в нарастающем во времени магнитном поле, перпендикулярном плоскости вращения электронов,. который реализуется в бетатронах (1 ).

Недостатками способа является низкая эффективность ускорения тяжелых частиц и малая предельная энергия ионов, что связано с малым временем ускорения.

1О

t5

30

35 а это приводит к повышению плотности

40. электронов и соответственно к увеличению

Известен способ коллективного ускорения положительных ионов электронными кольцами, заключающийся в том, что ускоряемые ионы в сформированном в магнитном поле электронное кольцо поступают с хаотически распределенными как по величине, так и по направлению скоростями (тепловыми) из остаточного газа в камере ускорителя, далее производят сжатие электронно-ионного в возрастающем во времени магнитном поле кольца и ускорение его вдоль, оси симметрии. Преимущества способа в высоком темпе ускорения (5 мэВ/м) и возможности достижения высоких конечных энергий ионов 1 2 J.

Недостатками известного способа являются трубчатая форма пучка ионов выведенных из ускорителя и, соответственно, большая площадь поперечноного сечения пучка.

Цель изобретения - упрощение способа ускорения и уменьшение поперечных размеров выведенного из ускори-. теля пучка ионов.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу ускорения заряженных частиц в электронных кольцах, заключающемуся в инжекции электронов в магнитное поле и формировании электронного кольца, накоплении ионов путем ионизации нейтральных частиц, поступающих в кольцо, и сжа-. тии электронно-ионного кольца в маг— нитном поле, напряженность которого возрастает во времени, придают нейтральным частицам начальную скорость, формируют их в пучок и инжектируют в электронное кольцо по касательной к нему, а после сжатия сформировавшегося электронно-ионного кольца направляют дополнительный поток нейтральных частиц в область вывода ионов из электронного кольца перпендикулярно его плоскости для компенсации пространственного заряда электронов в этом месте и выводят ионы из кольца и далее из магнитного поля.

Суть предлагаемого способа заключается в следующем.

В магнитном поле формируют кольцо релятивистских электронов. Затем в это кольцо по касательной к нему вводят ускоряемые ионы с начальной скоростью, например, противоположного направления к направлению скорости электронов.

Загрузку кольца ионами можно осуществить путем подачи в, него нейтральных атомов ускоряемого элемента. Под действием электронов кольца нейтральные атомы ионизируются, образовавшиеся ионы удерживаются на орбите собственным электрическим полем кольца. В результате ионы вращаются на орбите кольца и имеют механический момент количества движения, определяемый радиусом кольца и начальной скоростью, с которой нейтральные атомы инжектируются в электронное кольцо.

Далее производят сжатие электронно-ионного колвца в возрастающем во времени магнитном поле, и уменьшение радиуса кольца приводит к увеличению скорости ионов за .счет силы Кориолиса.

Кроме того, в процессе сжатия уменьшается радиус малого сечения кольца, силы, удерживающей ионы на орбите кольца.

Таким образом, в результате сжатия электронно-ионного кольца, в котором ионы имеют начальную скорость, они дополнительно ускоряются, а достижимое увеличение их начальной скорости определяется отношением начального и конечного радиусов кольца.

Вывести ионы из кольца, можно, например, путем локальной компенсации пространственного заряда электронов в нужном месте кольца за .счет накопления в этом месте положительных ионов из струи нейтральных атомов ионизируемых электронами кольца.

Пример. Предельную достижимую в процессе предлагаемого спосо1102061 можно центросил в сжатия, 5 т.е.

25

55 ба ускорения энергию ионов найти из условия равенства бежной и удерживающей ионы кольце на конечном радиусе

2 х ZZèЕЧН

АМЧ g Z,! „с — õ „Ц+

Р

С где A — массовое число иона;

1О

М вЂ” масса нуклона;

Ч вЂ” скорость иона;

К вЂ” радиус кольца;

Z — заряд иона;

1и — масса электрона, — параметр нейтрализации заряда кольца;

Х вЂ” параметр радиальной поляризации электронно-ионного кольца, 20 — параметр Будкера; — заряд электрона; с — скорость света;

Н вЂ” напряженность магнитного поля;

0 - радиус малого поперечного кольца. - 13

Ne 2,8. 1О

В выражении (1) 4 = 21 R где He — число электронов в кольце.

Вполне достижимые параметры электронно-ионного кольца следующие:2И Д = 0,5 для легких элементов, А Ñ 50 и

2и/А. 0,3 для тяжелых, А Ъ 50, Н =

3 10 Э, К=2см, м=006см, Š— Оу3 у !(- ф е

Если в выражении (1) выразить скорость иона через скорость света и подставить упомянутые параметры кольца, 4О то получим Ь2=Ч (д= 10 З для легких и P = 6 10 для тяжелых элементов.

Это означает, что предлагаемый способ позволяет ускорять заряженные частицы до энергий 300-500 кэВ/нуклон 45 при изменении отношения Z /Я в преИ делах 0,3-0,5.

Например, углерод можно ускорить до энергии 6 мэВ, а интенсивность пучка ионов углерода при цикличности ускорения 50 Гц составит «3 10 част. /с.

Если принять начальный радиус,,на котором формируется электронно-ионное кольцо, равным 35 см, а в конце сжатия 2 см, то начальная скорость ионов при инжекции в кольцо находится из конечной достижимой скорости ионов через отношение радиусов колец

I ниц 2, т.е.,для легких н,ч

35 элементов энергия инжектируемьм нейтральных атомов составляет 1,6 кэВ/нуклон.

В начале формирования электронноионного кольца его размер а 1 см, да =3 см . Если сечение ионизации нейтральньм атомов релятивистскими электронами составят .-5 *10+ScM2 и время инжекции нейтралов 3 м/с,. то требуемый поток нейтральных атомов для образования «5 .10 однозарядH ных ионов в кольце равен 3 1Р част/с. (Такой поток нейтральных атомов можно получить, если предварительно однозначные ионы ускорить до нужной энергии и их перезарядить на тонкой

-15 мишени. Сечение перезарядки 1О

-!ь г

-10 см, и требуемый поток однозарядных ионов 50-200 мА, что вполне доступно для ионных источников.

Вывод ускоренных ионов из электрон. но-ионного кольца можно осуществить путем создания локальной компенсации пространственного заряда электронов. Для этого требуется струя нейтральных атомов с потоком 2 а

Х 1 0 1 част. /с, если скорость нейтралов 4 10 см/с и из периметра кольца 12 см нейтрализуется участок

«0,6 см. Ионы покидают кольцо по: касательной к нему. Учитывая, что

Ма™- 0,01 см, это означает, .что выведенный из кольца пучок ускоренных ионов, например, углерода имеет плотность пучка, 200 мкА/см .

В магнитном поле, в месте, откуда они выводятся, ионы имеют ларморовский радиус 10 см, но поле спадает с увеличением радиуса, поэтому вывод пучка ионов из ускорителя не составит больших затруднений.

Таким образом, предлагаемый способ

;позволяет упростить метод ускорения, ограничившись только одной ступенью формирования и сжатия электронно.ионного кольца. Кроме того, позволяет ускорять положительные. ионы любого элемента таблицы Менделеева и генерировать сгустки заряженных частиц длительностью «60 нс, с числом частиц в сгустке 10 "- 1014 К тому же, достигаемые зарядности ускоренных ионов весьма высокие, т.е. полностью ободранные ядра с А 1 50, и для тяже.лых ядер 2 /Я 0,3, например, можно

И получить ионы Хе++ с энергией 40МэВ.

1102061

Составитель А. Нестерович

Техред М.Надь Корректор О. Тигор

Редактор Н. Бобкова

Заказ 4786/45

Тираж 783 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

11,3035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Таким образом, предлагаемый способ может служить в качестве эффективного источника многозарядных ионов и инжектора их в ускоритель для дальнейшего ускорения. Кроме того, пред- 5 лагаемый способ позволяет ускорнть ионы, которые движутся в кольце навстречу друг другу, и тем самым сформирорать встречные пучки ускоренных заряженных частиц с высокой светимостью. Это представляет интерес для ядерной физики низких энергий и изучения ион-ионных столкновений.

Наконец, выведенный пучок ионов из ускорителя может быть использован для исследований по физике твер дого тела и изучения процессов ионатомных столкновений.