Способ ускорения заряженных частиц в электронных кольцах

СОЮЗ СОВЕТСКИХ ЦИАЛИСТИЧЕ(НИ 0 1 БЛИК ЕНИЯ ОМУ С УДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЦТЮ 0 ПИСДНИа иаове(71) Объединенный институт ядерныхисследований(56) 1. Брук Г. Циклические ускорители заряженных частиц. М., Атомиздат, 1970, с. 10.2. Саранцев В.П., Перельштейн Э.А.Коллективное ускорение ионов электронными кольцами. И Атомиздат, 1979,с. 152 (прототип),(54) (57) СПОСОБ УСКОРЕНИЯ ЗАРЯЖЕННЫХЧАСТИЦ В ЭЛЕКТРОННЫХ КОЛЬЦАХ, заключающийся в инжекции электронов в магнитноеполеи формировании электронного коль."ца, накоплении ионов путем иониза" цни нейтральных частиц, поступающихв кольцо, и сжатий электронно-ион"ного кольца в магнитном поле, напряженность которого возрастает во времени, о т л и ч а,ю щ и й с я тем, чтос целью упрощения способа ускоренияи .уменьшения поперечных размероввыведенного из ускорителя пучка ионов, нейтральным частицам придаютначальную скорость, формируют их впучок и инжектируют в электронноекольцо по касательной к нему, а после сжатия сформировавшегося электронно-ионного кольца направляютдополнительный поток нейтральныхчастиц в область вывода ионов изэлектронного .кольца перпендикулярно его плоскости для компенсациипространственного заряда электроновв этом месте и выводят ионы из кольца и далее из магнитного ноля.1102061 Изобретение относится к ускорительнойтехнике, а именно к области ускорения положительных ионов электронны-, ми кольцами, и может быть использовано для целей изучения физики твердого тела и исследований ион-атомных столкновенийИзвестен способ индукционного ускорения электронов в нарастающем во времени магнитном поле, перпендикулярном плоскости вращения электронов,. который реализуется в бетатронах 1 1.Недостатками способа является низкая эффективность ускорения тяжелых частиц и малая предельная энергия ионов, что связано с малым временем ускорения. 5 1 О 15 20 25 30 35 а это приводит к повышению плотности640. электронов и соответственно к увеличению 45 50 55 Известен способ коллективного ускорения положительных ионов электронными кольцами, заключающийся в том,что ускоряемые ионы в сформированномв магнитном поле электронное кольцопоступают 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 высокомтемпе ускорения (5 мэВ/м) и возможности достижения высоких конечныхэнергий ионов 1 2 3.Недостатками известного способаявляются трубчатая форма пучка ионоввыведенных 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, накопленииионов путем ионизации нейтральныхчастиц, поступающих в кольцо, и сжа-.тии электронно-ионного кольца в магнитном поле, напряженность котороговозрастает во времени, придают нейтральным частицам начальнуюскорость,формируют их в пучок и инжектируют вэлектронное кольцо по касательнойк 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 нейтральныеатомы 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 орбитекольца. 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 накоп" ления в этом месте положительных ионов из струи нейтральных атомов ионизируемых электронами кольца.П р и м е р, Предельную достижимую в процессе предлагаемого спосо"можноцентросил всжатия,5 т.е. 15 25 55 ба ускорения энергию ионов найти из условия равенства бежной и удерживающей ионы кольце на конечном радиусе 2 2 х 2 ибЧНАМЧ 22 дс в " 1 ц+ "1)р и РС где В - массовое число иона,1 ОМ - масса нуклона;Ч - скорость иона;- радиус кольца;2 - заряд иона;1 ъ - масса электрона,- параметр нейтрализации заряда кольца;Х - параметр радиальной поляризации электронно-ионногокольца, 20- параметр Будкера;Е - заряд электрона;с - скорость света;Н - напряженность магнитногополя;Ю " радиус малого поперечногокольца.-9й 2,а 1 О В выражении (1) 4 =2 РЙ где Йе - число электронов в кольце. Вполне достижимые параметры электронно-ионного кольца следующие:ЕИА =0,5 для легких элементов, А ( 50 и 2 и/А. 0,3 для тяжелых, А Ъ 50, Н =3 10 Э, К = 2 см, с 1 = 0,06 см,й,3, -Если в выражении (1) выразить скорость иона через скорость света и подставить упомянутые параметры кольца, 4 О то получим . /2=Ч /д= 10 З для легких и Ь = 6 10 для тяжелых элементов. Это означает, что предлагаемый способ позволяет ускорять заряженные частицы до энергий 300-500 кэВ/нуклон при изменении отношения 2 /Я в преИделах 0,3-0,5. Например, углерод можно ускорить до энергии 6 мэВ, а интенсивность пучка ионов углерода при цикличности ускорения 50 Гц составит 310 част./с.Если принять начальный радиусна 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 колецниц 2 , т.е.,для легкихнфц д н ф35элементов энергия инжектируемых нейтральных атомов составляет 1,6 кэВ/нук" лон.В начале формирования электронно- ионного кольца его размер асм, ра 2=3 см . Если сечение ионизации нейтральньм атомов релятивистскими электронами составят 5 10 Всм 2 и время инжекции нейтралов 3 м/с, то требуемый поток нейтральных атомов для образования 5 .10 одбнозарядИ ных ионов в кольце равен 3 1 Р част/с.Такой поток нейтральных атомов можно получить, если предварительно однозначные ионы ускорить до нужной энергии и их перезарядить на тонкой-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 к0 част. /с, если скорость нейтра. лов ( 10 см/с и из периметра кольца 12 см нейтрализуется участок 0,6 см, Ионы покидают кольцо по касательной к нему. Учитывая, что Ма0,01 см, это означает, .что выведенный из кольца пучок ускоренных ионов, например, углерода имеет плотность пучка , 200 мкА/см 2.В магнитном поле, в месте, откуда они выводятся, ионы имеют ларморовский радиус10 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 сгустке1 Оц К тому же, достигаемые зарядности ускоренных ионов весьма высокие, т.е. полностью ободранные ядра с А 4 50, и для тяже.лых ядер 2 /А 0,3, например, можноИполучить ионы Хе+4 в с энергией 40 МэВ.6 1102061 Составитель А. НестеровичТехред М.Надь Корректор О. Тигор Редактор Н. Бобкова Заказ 4786/45 Тираж 783 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий11,3035, Москва, Ж, 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 даль" нейшего ускорения. Кроме того, пред 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.