Ускоритель ионов

 

УСКОРИТЕЛЬ ИОНОВ,содержащий противостоящие катод и анод в виде полого цилиндра, соединенного с гене ратором высоковольтных импульсов, электронную пушку, содержащую катод и анод, и магнитную систему для создания радиального магнитного поля в пространстве между анодом и катодом, о.тлич ающийс я тем, что, с целью повышения мощности пучка и зарядности ионов, катод и анод электронной пушки выполнены коаксиальными с наружным расположением катода, электронная пушка установлена у торца анода со стороны катода ускорителч , в последний введены импульсный газовый клапан и дополнительный генератор импульсов пилообразного напряжения , к которому подсоединен катод электронной пушки, при этом анод пушки электрически соединен с анодом ускорителя, а магнитная система расположена внутри анода ускорителя, на оси которого укреплен импульсный газовый клапан, электрически соединенный с катодом пушки.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦ}4АЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (5ц 4 Н 05 Н 5/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3538916/18-21 (22) 12.01.83 (46) 30.05.86. Бюл. В 20 (71) Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом институте (72) В.М,Быстрицкий, А.В.Петров и В.Г.Толмачева (53) 621 ° 384.6(088.8) (56) Донец Е.Д. Электронно-лучевой метод глубокой ионизации атомов.Физика элементарных частиц и атомов ядра, т. 13, вып. 5, с. 941-981,1982.

Авторское свидетельство. СССР по заявке 9 3406528/21, кл. Н 05 Н 5/00, 1982. (54)(57) УСКОРИТЕЛЬ ИОНОВ, содержащий противостоящие катод и анод в виде полого цилиндра, соединенного с гене ратором высоковольтных импульсов, электронную пушку, содержащую катод

„.SU„„1102475 А 1 и анод, и магнитную систему для создания радиального магнитного поля в пространстве между анодом и катодом, о.т л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения мощности пучка и зарядности ионов, катод и анод электронной пушки выполнены коаксиальными с наружным расположением катода, электронная пушка установлена у торца анода со стороны катода ускорителя, в последний введены импульсный газовый клапан и дополнительный генератор импульсов пилообразного напряжения, к которому подсоединен катод электронной пушки, при этом анод пуш- р ки электрически соединен с анодом ускорителя, а магнитная система расположена внутри анода ускорителя, на оси которого укреплен импульсный га-, зовый клапан, электрически соединенный с катодом пушки.

1102475

Изобретение относится к области ускорительной техники и может найти применение для получения интенсивных импульсных пучков многозарядных ионов. 5

Известно устройство для получения пучка многозарядных ионов, которое представляет собой вакуумированную цилиндрическую трубу (длиной около

1 м) дрейфа, .вдоль которой создано принудительное распределение потенциала (ловушечная конфигурация) .Труба дрейфа помещена в сильное аксиальное магнитное поле. На одном торце дрейфа установлена электронная пушка, генерирующая аксиальный электронный ноток. Электроны осциллируют в трубе дрейфа и ионизуют газ, напускаемый из внешнего источника. Благодаря большой длительности импульса тока электронов обеспечивается такое значение плотности электронов Л (где 4 — плотность электронного тока — длительность) которое приЭ У

2S водит к глубокой обдирке атомов.По истечении определенного времени (до получения нужной кратности ионизации) распределение потенциала вдоль оси изменяют, и образовавшиеся многозарядные ионы выталкиваются иэ устройства в инжекторную часть ускорителя. В этом устройстве удалось получить большие кратности ионизации. Однако изза большой протяженности трубы дрейфа время вывода ионного пучка велико 55 (десятки-сотни микросекунд), т.е. мала мощность пучка. Кроме этого,общее количество ионов в импульсе не о превышает 10, что обусловлено самой геометрией электронного потока. Ука- 4О занные недостатки не позволяют использовать этот источник в качестве инжектора в сильноточные ускорители прямого действия. Кроме этого, само устройство достаточно сложно,так как для создания принудительного распределения потенциала вдоль трубы ее необходимо делать секционированной.

Наиболее близким техническим решением является ускоритель ионов, со- 50 держащий противостоящие катод и анод в виде полого цилиндра, соединенного с генератором высоковольтных импульсов, а также магнитную систему, создающую радиальное изолирующее магнит- 55 ное поле в пространстве между анодом и катодом. На оси катода установлена электронная пушка, а внутри анода— диск, имеющий зазор с анодным цилиндром и соединенный с ним электрически через индуктивность. Плазма образуется при пробое между краем диска и . анодом в результате заряда диска пучком электродов с катода. Недостатком устройства является малая кратность ионизации тяжелых ионов.

Целью изобретения является увеличение мощности пучка и зарядностн ионов.

Цель достигается тем, что в ускорителе ионов, содержащем противостоящие катод и анод в виде полого цилиндра, соединенного с генератором высоковольтных импульсов, электронную пушку, содержащую катод и анод, и также магнитную систему, создающую радиальное магнитное поле в пространстве между анодом и катодом, катод и анод электронной пушки выполнены коаксиальными с наружным расположением катода, электронная пушка установлена у торца анода со стороны катода ускорителя, в последний введены импульсный газовый клапан и дополнительный генератор импульсов пилообраз» ного напряжения, к которому подсоединен катод электронной пушки, при этом анод пушки электрически соединен с анодом ускорителя, а магнитная сис тема расположена внутри анода ускорителя, на оси которого укреплен импуль сный газовый клапан, электрически со единенный с катодом пушки.

На чертеже представлена схема ускорителя, В корпусе 1 ускорителя расположены противостоящйе катод 2 и анод 3 в виде полого цилиндра, соединенного с положительным электродом генератора 4 высоковольтных наносекундных импульсов. У торца анода 3, обращенного к катоду 2 установлена коаксиальная электронная пушка с наружным расположением катода 5, который соединен с дополнительным генератором 6 импульсов пилообразного напряжения.

Анод 7 этой пушки электрически соединен с анодом 3. Внутри анода 3 установлена магнитная система 8, создающая радиальное магнитное поле в зазоре между анодом 3 и катодом 2.На оси анода 3 укреплен быстродействующий импульсный газовый клапан 9.Непосредственно за катодом 2 установлена труба 10 дрейфа, внутри которой расположен соленоид 11, создающий в

1102475 трубе 10 дрейфа аксиальное магнитное поле. Устройство работает следующим образом. На магнитную систему 8 расположенную внутри анода 3, подается импульс тока, создающий радиальное 5 изолирующее магнитное поле, параллельное поверхности анода 3.0дновременно срабатывает импульсный газовый клапан

9, и в пространство между анодом 3 и катодом 2 впускается порция газа

33 45 (10 -10 мол). После этого на ка" тод 5 электронной пушки, установленной на наружной окружности анода 3, подается импульс напряжения от гене- 1 ратора 6 импульсов пилообразного напряжения, под действием которого с катода 5 начинают эмиттироваться электроны, образуя плоский сходящийся электронный пучок, осциллирующий между катодом 5 и импульсным газовым клапаном 9, который электрически соединен с катодом 5.Под действием осциллирующего электронного пучка происходит ионизация газового облака с образованием многозарядных ионов.

Так как радиально сходящийся плоский электронный пучок имеет плотность

je, увеличивающуюся к центру (пропорционально 1/г ), а вероятность ионизации (в том числе и многократной) пропорциональна 5 е (где - длительность электронного импульса), основная доля многозарядных ионов образуется в центральной области. Кроме этого, такой электронный пучок создает электрическое поле ловушечной конфигурации, так как благодаря нарастающей к центру плотности электронного пучка минимум потенциала находится вблизи центральной области, где

40 соответственно и сосредотачивается основная доля многозарядных ионов, удерживаемая в поперечном направлении пространственным зарядом плоского электронного пучка. По мере накопления ионного заряда напряжение, пос.тупающее на катод 5 электронной пушки, увеличивается, что приводит к соответственному нарастанию электронного тока, к сохранению избыточного электронного заряда над ионным,что и обеспечивает дальнейшее удержание ионов в поперечном и продольном направлениях. В расчетный момент времени, удовлетворяющий условию (мкс)4

55 5 10 (время,необходиРмм рт. ст. мое для достижения нужной кратности ионизации) на анод 3 от генератора

4 высоковольтных импульсов поступает высоковольтный импульс длительностью десятки-сотни наносекунд, под действием которого многозарядные ионы вытягиваются в сторону катода 2, формируют мощный поток ионов, который затем выводится из зазора анод-катод, при этом на своем движении к пространству дрейфа ионный пучок проходит нулевой магнитный поток, созданный анодной магнитной системой 8 и соленоидом 11, так как последний создает магнитное поле этого же направления.

Вследствие этого азимутальная компонента энергии дрейфующего ионного пучка близка к нулю. Длительность импульсного поля соленоида 11 такова, что в течение его это поле не проникает сквозь катод 2 в зазор анод-катод и таким образом не искажает радиальное изолирующее магнитное поле катушки.

Для образования 11-14-зарядными ионов аргона требуется е = 10 см .Если первоначальная плотность электронов с катода 100 А/см, то благодаря сжатию пучка к центру на малых радиусах и наличия осцилляций электронного пучка в радиальном направлении эквивалентная величина тока может быть увеличена примерно на два порядка (до 10 А/см ). .Значение J< -, составит при этом б. (10 " -10 " ) см при

10 — 100 мкс, что вполне достаточно для полной обдирки атомов до аргона включительно и более чем 50Х-ую обдирку атомов вплоть до урана.Поскольку плоское облако многократно ионизированных ионов имеет малые размеры в поперечном направлении (толщина электронного пучка), время вывода его в этом направлении под действием высоковольного наносекундного импульса имеет порядок единиц-десятков наносекунд, следовательно, мощность ионного пучка может быть увеличена на 2-3 порядка.

Таким образом, по сравнению. с устройством, выбранным за базовый объект котрое внастоящее времяявляется лучшим дляполучения многозарядиыхионов, предлагаемое устройство,неуменьшая зарядности ионовв пучке,позволитувеличть его мощность на2-3 порядка, вследствие сокращениявремени вывода пучка сдесятков микросекунд вбазовои объекте до десятков наносекунд.

Редактор П.Горькова Техред O.Ãîðòâàé Корректор M.Äåì÷èê

Заказ 2996/3,, Тирам 765 Подписное

ВКИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Уагород, ул. Проектная, 4