Ускоритель ионов

(50 4 Н 05 Н 5/00 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом институте(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 Р 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.801102475 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 щ и й с 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 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.Изобретение относится к области ускорительной техники и может найти применение для получения интенсивных импульсных пучков многозарядных ионов. 5Известно устройство для получения пучка многозарядных ионов, которое представляет собой вакуумированную цилиндрическую трубу (длиной около 1 м) дрейфа, .вдоль которой создано 1 О принудительное распределение потенциала (ловушечная конфигурация) .Труба дрейфа помещена в сильное аксиальное магнитное поле, На одном торце дрейфа установлена электронная пушка, генерирующая аксиальный электронный оток. 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 У25 водит к глубокой обдирке атомов.По истечении определенного времени (до получения нужной кратности ионизации) распределение потенциала вдоль оси изменяют, и образовавшиеся многозаряд-ные 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 35 (десятки-сотни микросекунд), т.е. мала мощность пучка. Кроме этого,общее количество ионов в импульсе не1 Опревышает 10 , что обусловлено самой геометрией электронного потока. Ука 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 держащий противостоящие катод и анод в виде полого цилиндра, соединенного с генератором высоковольтных импульсов, а также магнитную систему, создающую радиальное изолирующее магнит ное поле в пространстве между анодом и катодом. На оси катода установленаэлектронная пушка, а внутри анода -диск, имеющий зазор с анодным цнлиндром и соединенный с ним электрическичерез индуктивность, Плазма образуется при пробое между краем диска и .анодом в результате заряда диска пуч"ком электродов с катода, Недостаткомустройства является малая кратностьионизации тяжелых ионов.Целью изобретения является увели"чение мощности пучка и зарядностнионов.Цель достигается тем, что в ускорителе ионов, содержащем противостоящие катод и анод в виде полого цилиндра, соединенного с генераторомвысоковольтных импульсов, электронную пушку, содержащую катод и анод,и также магнитную систему, создающуюрадиальное магнитное поле в простран"стве между анодом и катодом, катоди анод электронной пушки выполненыкоаксиальными с наружным расположением катода, электронная пушка установлена у торца анода со стороны катодаускорителя, в последний введены импульсный газовый клапан и дополнительный генератор импульсов пилообразного напряжения, к которому подсоединен катод электронной пушки, приэтом анод пушки электрически соединенс анодом ускорителя, а магнитная система расположена внутри анода ускорителя, на оси которого укреплен импульсный газовый клапан, электрически со.единенный с катодом пушки.На чертеже представлена схема ускорителя,В корпусе 1 ускорителя расположе"ны противостоящйе катод 2 и анод 3 ввиде полого цилиндра, соединенногос положительным электродом генератора 4 высоковольтных наносекундныхимпульсов. У торца анода 3, обращенного к катоду 2 установлена коаксиальная электронная пушка с наружнымрасположением катода 5, который соединен с дополнительным генератором 6импульсов 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.Наоси анода 3 укреплен быстродействующий импульсный газовый клапан 9.Непосредственно за катодом 2 установлена труба 1 О дрейфа, внутри которойрасположен соленоид 11, создающий втрубе 10 дрейфа аксиальное магнитное поле. Устройство работает следующим образом. На магнитную систему 8,расположенную внутри анода 3, подается импульс тока, создающий радиальноеизолирующее магнитное поле, параллельное поверхности анода 3.Одновременно срабатывает импульсный газовый клапан 9, и в пространство между анодом 3 и катодом 2 впускается порция газаО 15(10 -10 мол). После этого на ка" тод 5 электронной пушки, установленной на наружной окружности анода 3, подается импульс напряжения от гене 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 е, 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, где40 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 1 (мкс)455(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 е -, составит при этомб (10 "-10" ) смпри10 - 100 мкс, что вполне достаточно для полной обдирки атомов до аргона включительно и более чем 503-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,неуменьшаязарядности ионовв пучке,позволитувеличть его мощность на 2-3 порядка,вследствие сокращениявремени выводапучка сдесятков микросекунд вбазовоиобъекте до десятков наносекунд..Демч 99 б/3 , Тираю 765 ПодНИИПИ Государственного комитета СССР по делам иэобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб.,3 ака писное 4 5 иэводственно-полиграфическое предприятие, г. Уагород, ул. Проектная, 4