Способ ускорения ионов импульсным электронным потоком

Изобретение относится к технике ускорения заряженных частиц в сильных электрических полях, конкретно к методам коллективного ускорения ионов импульсными электронными потоками. Технический результат - увеличение тока ускоренных дейтронов при сохранении или уменьшении размеров дрейфового пространства. Сущность изобретения заключается в том, что в способе ускорения ионов импульсным электронным потоком, при котором формируют высоковольтный импульс отрицательного напряжения на катоде диода с использованием двухэлектродного разрядника, образуют поток электронов взрывной эмиссии с катода, запирают электронный поток в цилиндрической трубе дрейфа с формированием потенциальной ямы для положительно заряженных частиц, фокусируют излучение импульсного лазера на твердую мишень, образуют сгусток лазерной плазмы, расширяющийся к оси диода, ионизируют электронным потоком нейтральные атомы лазерной плазмы, компенсируют отрицательный объемный заряд внутри потенциальной ямы и ускоряют полученные ионы вдоль трубы дрейфа, часть лазерного излучения, необходимую для стабильного пробоя разрядника, фокусируют на его электрод и через время задержки τ_з после лазерного импульса возбуждают нарастающий ток в конусообразной спиральной линии, создают с помощью спиральной линии в области потенциальной ямы быстронарастающее азимутально-симметричное магнитное поле, спадающее по величине вдоль трубы дрейфа, и воздействуют им на сгусток электронов и ионов.1 ил.

 

Изобретение относится к технике ускорения заряженных частиц в сильных электрических полях, конкретно к методам коллективного ускорения ионов импульсными электронными потоками.

Известны технические решения в области коллективного ускорения ионов импульсными электронными потоками [1-3], в которых осуществляется ускорение ионов в процессе инжекции импульсного потока электронов в цилиндрическую рабочую камеру (трубу дрейфа), заполненную газом под давлением 0,01-1 Торр, где при электростатическом запирании электронного потока формируется потенциальная яма, в которую попадают ионы, образуемые в процессе ионизации газа электронным ударом. Для формирования потенциальной ямы необходимо, чтобы электронный ток превышал некоторое критическое значение [1]:

где I_A≈17 кА - ток Альфена; γ <(eUo + mс²) /mс² — относительная полная энергия электронов; е, т- заряд и масса электрона соответственно; Uo - амплитуда напряжения при генерации электронного потока; п_е- концентрация электронов; n_i(t) - концентрация ионов, изменяющаяся во времени; χ = R/a - отношение радиусов трубы дрейфа и электронного пучка.

В результате компенсации объемного заряда электронов ионами, образуемыми при ионизации газа, потенциальная яма приходит в движение и ионы, захваченные в ее объеме, начинают ускоряться. При этом, как показывают результаты многочисленных экспериментов (см., например, [4]), кинетическая энергия ускоренных ионов может достигать значений ΔW≈ (2÷3)( γ - 1)тс², где m - масса покоя электрона.

Основным недостатком рассмотренных технических решений - аналогов является неуправляемая связь между временем формирования потенциальной ямы и началом процесса компенсации объемного заряда электронов, что затрудняет подбор оптимального режима ускорения ионов.

Этих недостатков лишено техническое решение, описанное в работе [5], где рабочая камера находится под вакуумом, а давление в области потенциальной ямы образуется локально в пространстве и во времени путем попадания туда расширяющегося плазменного облака, образуемого при фокусировке короткого лазерного импульса на мишень, выполненную из того материала, ионы которого необходимо ускорять. Такая схема позволяет варьировать время формирования электронного потока и запуска лазера с помощью специального блока синхронизации. Указанное техническое решение выбрано в качестве прототипа.

Недостатком прототипа является сравнительно низкий импульсный ток ускоренных ионов, в данном случае дейтронов (≤50 мА, измерение по нейтронной методике). Техническим результатом предлагаемого способа является увеличение тока ускоренных дейтронов при сохранении или уменьшении размеров дрейфового пространства.

Этот результат достигается тем, что в известном способе, при котором формируют высоковольтный импульс отрицательного напряжения на катоде диода с использованием двухэлектродного разрядника, образуют поток электронов взрывной эмиссии с катода, запирают электронный поток в цилиндрической трубе дрейфа с формированием потенциальной ямы для положительно заряженных частиц, фокусируют излучение импульсного лазера на твердую мишень, образуют сгусток лазерной плазмы, расширяющийся к оси диода, ионизируют электронным потоком нейтральные атомы лазерной плазмы, компенсируют отрицательный объемный заряд внутри потенциальной ямы и ускоряют полученные ионы вдоль трубы дрейфа, согласно предлагаемому способу часть лазерного излучения, необходимую для стабильного пробоя разрядника, фокусируют на его электрод и через время задержки τ₃ после лазерного импульса возбуждают нарастающий ток в конусообразной спиральной линии, создают с помощью спиральной линии в области потенциальной ямы быстронарастающее азимутально-симметричное магнитное поле, спадающее по величине вдоль трубы дрейфа, и воздействуют им на сгусток электронов и ионов, где τ₃≈(r/V_пл) - τ_Η, r - расстояние от плазмообразующей мишени до центральной оси трубы дрейфа, V_пл - скорость распространения плазменного фронта, τ_Η - время нарастания электронного тока.

Для реализации предлагаемого способа может быть использована схема, представленная на Фиг. 1 и содержащая следующие позиции: 1 - генератор импульсного напряжения с формирующей линией; 2 - изоляторы; 3 - разрядник-обостритель; 4 - игольчатый катод; 5 - нейтроннообразующая мишень; 6 - труба дрейфа (анод диода); 7 - импульсный лазер; 8 - плазмообразующая мишень; 9 - спиральная линия; 10 - оптические вводы; 11, 12 - фокусирующие линзы; 13 -частично прозрачное зеркало; 14 - зеркало; 15 - блок запуска лазера.

Согласно этой схеме нарастающий отрицательный потенциал от генератора 1 подается на левый электрод разрядника 3. При определенном заданном напряжении на разряднике с помощью исполнительного устройства 15 запускается лазер 7, работающий в режиме модулированной добротности. Излучение лазера проходит через частично прозрачное зеркало 13, направляется зеркалом 14 на линзу 12 и фокусируется на плазмообразующую мишень 8, расположенную на спиральной линии 9. Часть излучения, отраженная зеркалом 13, направляется на линзу 11, фокусируется на электрод разрядника и вызывает интенсивную термоэмиссию в области локального разогрева этого электрода, которая стимулирует срабатывание разрядника в нужный момент времени, по аналогии с работой [6], приводя к эмиссии с игольчатого катода 4 потока электронов.

Плазма, образуемая под действием лазерного импульса, сфокусированного на мишень 8, распространяется к центральной оси трубы дрейфа со скоростью переднего фронта V_пл~10⁵м/с. При этом, как показывают оценки, для приемлемых геометрий ускоряющей системы и энергии лазерного импульса время задержки должно лежать примерно в пределах от 10 до 50 нс. Для обеспечения синхронизации примерно за такое же время должно осуществляться формирование отрицательного высоковольтного импульса между катодом 4 и анодом 5. Интенсивная термоэмиссия с электрода разрядника сводит к минимуму статистический разброс времени его срабатывания, что обеспечивает стабильность синхронизации.

Формирование магнитного поля в области потенциальной ямы с помощью спиральной линии предполагает, с одной стороны, радиальное контрагирование электронного потока, с другой стороны, должно обеспечить более эффективную ионизацию нейтралов лазерной плазмы за счет удлинения электронных траекторий, как это происходит, например, в разряде Кауфмана [7].

Коническая форма спиральной линии обеспечивает проникновение электрического поля в прикатодную область. Компьютерный расчет электрических полей методом эквивалентных зарядов [8] показал, что напряженность электрического поля в области катода должна составлять примерно 50-60 % от напряженности поля в области правого торца спирали. Это условие обеспечивает формирование электронного потока и достигается, если угол полураствора конуса α лежит в пределах π/6≤α≤π/4.

Другие геометрические характеристики спиральной линии и трубы дрейфа анализировались в компьютерном эксперименте и получаются из условия пропорции между временем формирования катодного факела [9] и временем пролета лазерной плазмы от плазмообразующей мишени до оси ускоряющей системы.

Предлагаемый способ должен позволить существенно (не менее чем в 2 раза) увеличить ток ускоренных ионов при сохранении или уменьшении габаритов приборов, его реализующих. Это особенно важно с точки зрения возможного применения ускорителя в качестве генератора нейтронов для элементного анализа горных пород в полевых условиях, а также нейтронного каротажа нефтяных и газовых скважин, особенно при анализе успешности интенсификации добычи высоковязких нефтей.

Источники информации

1. Миллер Р. Введение в физику сильноточных пучков заряженных частиц. М., Мир, 1984, 432 с.

2. Линев А.Ф., Масунов Э.С., Тоцкий Ю.И., Худенко А.Я., Цыбин А.С., Шиканов А.Е. Инжектор многозарядных ионов. А.с. СССР №963 412, от 4.03.1981.

3. Дубинов А.Е., Корнилова И.Ю., Селемир В.Д. Коллективное ускорение ионов в системах с виртуальным катодом. Успехи физических наук, т. 172, №11, 2002, с. 1225-1246.

4. Диденко А.Н., Григорьев В.П., Усов Ю.П. Мощные электронные пучки и их применение. М., Атомиздат, 1977, 278 с.

5. Козловский К.И., Рыжков В.И., Цыбин А.С., Шиканов А.Е.
Экспериментальное исследование макета генератора нейтронов на базе диода
с коллективным ускорением дейтронов импульсным электронным потоком.
Атомная энергия, т. 113, в. 2, 2012, с. 120- 122.

1. Гусаров В.Н., Козловский К.И., Цыбин А.С., Шиканов А.Е. Исследование процессов в лазерном воздушном разряднике. Изв. Вузов, «Радиофизика», т.27, №4, 1984, с. 512-517.

2. Форрестер А.Т. Интенсивные ионные пучки. М., Мир, 1992, 356 с.

3. Бейер М., Бек В., Меллер К., Цаенгль В. Техника высоких напряжений: теоретические и практические основы применения. М., Энергоатомиздат, 1989, 555 с.

4. Королев Ю.Д., Месяц Г.А. Автоэмиссионные и взрывные процессы в газовом разряде. Новосибирск, Наука, 1982, 256 с.

Способ ускорения ионов импульсным электронным потоком, при котором формируют высоковольтный импульс отрицательного напряжения на катоде диода с использованием двухэлектродного разрядника, образуют поток электронов взрывной эмиссии с катода, запирают электронный поток в цилиндрической трубе дрейфа с формированием потенциальной ямы для положительно заряженных частиц, фокусируют излучение импульсного лазера на твердую мишень, образуют сгусток лазерной плазмы, расширяющийся к оси диода, ионизируют электронным потоком нейтральные атомы лазерной плазмы, компенсируют отрицательный объемный заряд внутри потенциальной ямы и ускоряют полученные ионы вдоль трубы дрейфа, отличающийся тем, что часть лазерного излучения, необходимую для стабильного пробоя разрядника, фокусируют на его электрод и через время задержки τ_з после лазерного импульса возбуждают нарастающий ток в конусообразной спиральной линии, создают с помощью спиральной линии в области потенциальной ямы быстронарастающее азимутально-симметричное магнитное поле, спадающее по величине вдоль трубы дрейфа, и воздействуют им на сгусток электронов и ионов, где τ_з≈(r/V_пл)-τ_н, r - расстояние от плазмообразующей мишени до центральной оси трубы дрейфа, V_пл - скорость распространения плазменного фронта, τ_н - время нарастания электронного тока.