Ускоритель многозарядных ионов
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ
РЕСПУБЛИН (19) (1l) (51)4 Н 05 Н 5 00
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР
ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ
Описдние изоБре
К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ с г
М
i пульсов, и два катода, один из которых использован в качестве эмиттера электронов, а второй выполнен прозрачным для ускоряемых ионов, расположенные по раэные стороны от анода и соединенные с заземленным корпусом, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью уве-. личения интенсивности пучка много- .
5 зарядных ионов, анод выполнен в виде полого усеченного конуса, меньшее основание которого обращено в сторону эмиттера электронов, а длина 8 соответствует выражению г /г .
103 и
"ими о где 2„„„ — длительность высоковолът" ного импульса, с1. г„ g r — радиусы окружностей оснований анодного конуса, м;
2 « нмпедансдиода, Ом, а источник ионов установлен s сред» нем сечении анодного конуса. (46) 15.05.88. Бюп. И 18 (21) 3730301/24-21 (22) 05.03.84 (71) Научно-исследовательский институт ядерной Физики при Томском политехническом институте (72) В.М. Быстрицкий, Я.Е. Красик, Д.P. Акерман и С.Н. Волков (53) 621.384.6(088..8) (56) Донец E.Ä. Электронно-лучевой метод глубокой ионизацни атомов.
Физика элементарных частиц и атомного ядра 1982, т. 13, выл. 5, с. 941-981.
Авторское свидетельство СССР
Ф 660543, кл. Н 05 Н 5/00, 1977. (54) (57) . УСКОРИ ЕЛЬ МНОГОЗАРЯДНЫХ
ИОНОВ, содержащий генератор высоковольтных импульсов, магнитную сис,тейу и заземленный корпус, в котором соосно расположены противостоящие полый анод с установленным внутри него источником ионов, соединенный электрически с поло" аительной клеммой генератора имтения:.:, ) " Б ..
1218911 2
Если
Изобретение относится к ускорительной технике и может найти применение для генерации мощных пучков многозарядных ионов, Целью изобретения является увеличение интенсивности многозарядных ионов за счет увеличения плотности электронных осциллирующих потоков.
Устройство и принцип его действия поясняются чертежам, где изображены генератор высоковольтных импульсов 1, корпус 2, магнитная. система 3, астрийный заземленный катод 4 " эмиттер электронов, анод
5; выполненный в виде усеченного конуса, импульсный источник 6 ионов, установленный на окружности внутри анодного конуса в средней плоскости анодного конуса, диафрагма 7 с отверстием, являющаяся меньшим основанием анадного конуса, дополнительный заземленный катод 8, выполненный в виде сетки или диафрагмы, волны газа 9, распространяющиеся ат импульсного источника 6, электроны 10, эмиттируемые катодом
4, многоэарядные ионы 11.
Устройства работает следующим образом.
Включается импульсный источник ионов 6, и в объеме анадного конуса 5 начинают распространяться атомы рабочего газа со скоростью
V««(k5T /m; )" где k> — постоянная Больцмана, T — температура газа, л; — масса ионов (плазма распространяется са скоростью
V 10 -10 см/с, Через некоторое время или одновременно включается магнитная система 3. Время ее включения обусловлена тем, чтобы максимум магнитного поля совпал с моментом, когда фронт газовой волны 9 или плазмы дошел до обоих торцов анодного конуса 5, но еще не вышел на них. После этого включается генератор 1 и напряжение положительной полярности прикладывается к аноду 5. Под действием приложенной разности потенциалов с острийного катода 4 начнут эмиттировать ся электроны, формируя ири этом узкий электронный пучок, Электроны этого пучка осциллируют внутри анода 5 и многократно иониэируют газ (или плазму), в результате чего образуются многоразрядные ионы 11, компенсирующие пространст5
1О
1,5
3S
50 вен ий заряд электронного пучка.
Степень обдирки атомов, т,е. зарядиоеть Е, увеличивается, как (р ) 1ц Гge ) илотнасть электронного потока, сц — длительность импульса напряжения.
Плотность электронного потока при работе в отражательном режиме (асцилляции электронов) для острийных конфигураций катодов за счет процессов нейтрализации и многократных асцилляций (20-40) — накоилеб ния заряда может достигать 10—
10 Л/см
Взяв длительность импульса „ « 10 мкс, будем иметь фактор ионн" эации18 сц 6,6 1О" см, что обеспечивает 50Х и большую степень обдирки атомов до 2; = 80.
Благодаря конической форме анода
5 в электронном пучке 10 будет существовать переменное по его длине
6рависанне потенциала aq, т.е. будет существовать аксивльнае электрическое поле. Под действием этого поля образовавшиеся ионы 11 будут двигаться в аксиальном направлении к большему торцу анода 5.
При этом движении они будут многократно иониэироваться осциллирующими электронами, а также участвовать в процессе перезарядки, При выборе плотности газа такой, чтобы G „ p 8 д « 1, процессами перезарядки по сравнению с процессами обдирки можно пренебречь. Здесь G
2 сечение перезарядки, см, P — плотность атомов газа,, 1 — длина
Г анода, см.
,„, В радиальном направлении в течение всего импульса ионы 11 будут подвергаться воздействию электрического поля, обусловленного нескомпенсированным пространственным зарядом пучка, и совершать радиальные осцилляции, удерживаемые этим полем от радиального рассыпания.
При этом необходимо, чтобы значение радиального ировисания потенциала
Ь „в электронном пучке было минимально возможным; но несколько большим, чем тепловая энергия к,.т ионов, т.е. hq е;е
k„ò это приве (1 )ъ
2;е дет к возра<.та««ю пои< 1 <,чв <й ««ргни ион< в, т. е. к во-.<раст:««<ю эм<<тTRe Приняв степень зарядовой компенсации 99,97 и найдя линейную плотность заряда электронов 3 < <Р ЯЧА е к где — среднее число осцилляций электронов P3II, /-1 ар 2 цА 1С/ Рв — (—. В условиях сильной эамагниченности РЭП в отражательных системах с пренебрежимо малыми потерями в аноде = 20-40 < А — радиус анода, — радиус пучка. Для обеспечения вывода из анодного конуса образовавшихся там-многозарядных ионов необходимо, чтобы длительность импульса была больше, чем среднее время движения ионов — <Ав в аксиальном направлении в сторону .большого анодно1о торца. Это условие можно записать в следующем виде. < «л<<< "дь < А/ с<) где А — длина анодного конуса, л а — среднее ускорение движения ионов. Используя для и выражение < записанное выше < А 1 выражение для bq „ H среднее значение 25, после некоторых преобраэоА 1А, ваний (при условии «1 ) <А получаем соедующее выражение, связывающее длину анода с прочими параметрами ускорителя: e„=; „„C<, «(" /,, <) г; < /т, z, с) « Упростив это выражение в приближении 2; = 0,25 мА, где ; — средний заряд иона в течение длитель<<ос т/<
1О а« = 1О мкс получаем 04 = 150 см. При вь<Ьолнении этого условия достигается эффективный вывод многозарядных. ионов из анодной полости и их ускорение в А-К зазоре, обеспечивающее генерацию ниэкоэмиттансного пуч15 ка многозарядных ионов. Что касается максимально допустимого давления остаточного газа Р, то оно может быть определено иэ условия "«и« < 2 <е, где <. - среднее время ударной электронной иониэации « р A /Р, здесь 4 — эмпиричес- кая константа, зависящая от сорта газа, < — давление газа в мм рт. ст., /\ 25 е — время ударной электронной иониэации в наносекундах.. Для азо- та, к примеру А 1,6 для водорода А = 5. По сравнению с устройством, выбранным за базовый объект (инжектор "Крион") и являющимся в настоя30 щее время лучшим с точки зрения получения многоразрядных ионов, благодаря высокой плотности электронного потока исчезает необходимо=ть в сверхвысоком вакууме, так как для обеспечения того же значения j <<, появляется возможность работать при меньших на три порядка длительностях импульса Тч . Радиальный тепловой поток остаточного 4О газа внутрь электронного канала в этом случае сократится соответственно на шесть порядков и это дает возможность работать в условиях обычного механического вакуума -6 4> 10 -10 мм рт. ст. Высокая плотность электронных осциллирующих потоков позволяет работать и на большей плотности рабочего газа, что обеспечивает соответственно большие (на три порядка) количества многоразрядных ионов и интенсивность ионного пучка, выводимого иэ устройства (т.е. единиц ампер). 1218911 Составитель Ю,Терешкин Редактор В.Фельдман Техред M.Õoäàíè÷ Корректор И.Эрдейи Тираж 832 Подписное ВНИИХИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 Заказ 3384 Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4
