Ускоритель многозарядных ионов

(51) 4 Н 05 Н З 0 БРВтеН ПИС идетельство СССР 05 Н 5/00, 197 У.(54)(57) УСКОР ИОНОВ, содержа вольтных импул тему и заземле ром соосно рас стоящие полый внутри него ис соединенный эл аительной клемм ЕЛЬ МНОГОЗАРЯДНЫХй генератор высокоов, магнитную сис ный корпус, в котооложены противонод с установленнымочником ионов,ктрически с поло"ой генератора имФ Ф а нес ед ОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ ОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(71) Научно-исследовательский институт ядерной Физики при Томском политехническом институте (72) В,М. Быстрицкий, Я,Е. Красик, Д.Р. Акерман и С.Н. Волков (53) 621.384.6(088,.8)(56) Донец Е.Д. Электронно-лучевой метод глубокой ионизацни атомов. физика элементарных частиц и атомного ядра 4 1982, т. 13, вып. 5, с. 941-981.Авторское свФ 660543, кл, Н пульсов, и два катода, один из ко" торых использован в качестве эмиттера электронов, а второй выполнен прозрачным для ускоряемых ионов, расположенные по разные стороны от анода и соединенные с заземленным корпусом, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью уве-. личения .интенсивности пучка иного- . зарядных ионов, анод выполнен в виде полого усеченного конуса, меньшее основание которого обращено в сторону эмиттера электронов, а длина Р соответствует выражению-.0 в: Гдд"фо где 2 - длительность высоковолът"ного импульса, сф м ", радиусы окружностей оснований анодного конуса, м;2нмпедансдиода, Ом точннк ионов установлен сечении анодного конуса.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 плотностиэлектронных осциллирующих потоков.Устройство и принцип его действия поясняются чертежом, где изображены генератор высоковольтных импульсов 1, корпус 2, магнитная система 3, острийный 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 анодного конуса, дополнительный заземленный катод 8, выполненный в виде сетки или диафрагмы, волны газа 9, распространяющиеся от импульсного источника 6, электроны 1 О, эмиттируемые катодом 4, многоэарядные ионы 11.Устройство работает следующим образом.Включается импульсный источник ионов 6, и в объеме анодцого конуса 5 начинают распространяться атомы рабочего газа со скоростью "- (КЬТ /п;)ц где Кь - постоянная Больцмаца, 1 - температура газа, Ф; - масса ионов (плазма распространяется со скоростью6 7Ч - 10 -10 см/с, Через некоторое время или одновременно включается магнитная система 3. Время ее включения обусловлено тем, чтобы максимум магнитного поля совпал с моментом, когда фронт газовой волны 9 или плазмы дошел до обоих торцов анодцого конуса 5, цо еще не вышел на цих, После этого включается генератор 1 и напряжение положительной полярности прикладывается к аноду 5, Под действием приложенной разности потенциалов с острий- ного катода 4 начнут эмиттировать ся электроны, формируя при этом узкий электроцкый пучок, Электроны этого пучка осциллируют внутри анода 5 и многократно иониэируют газ (или плазму), в результате чего образуются многоразрядные ионы 11, компенсирующие пространст 55 Если 1 О 15 20 25 30 35 40 45 50 вецццй заряд электронного пучка, Степень обдирки атомов, т,е, зарядцоеть Е, увеличивается, как " )е "ц где 1 - плотность электронного потока, с - длительность импульса напряжения. Плотность электронного потока при работе в отражательном режиме (осцилляции электронов) для острийных конфигураций катодов за счет процессов нейтрализации и многократных осцилляций (20-40) - накоилеб ния заряда может достигать 10 - 10 Л/смВзяв длительность импульса" 10 мкс, будем иметь фактор иоки" эации )8 сц -. 6,6 1 Ощ см, что обеспечивает 502 и большую степень обдирки атомов до 2; = 80,Благодаря конической форме анода 5 в электронном пучке 10 будет существовать переменное по его длине йровисанце потенциала ьу, т.е, будет существовать аксивльное 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, что" бы б р В1, процессами перезарядки по сравнению с процессами обдирки можно пренебречь. Здесьгсечение перезарядки, см , . - плотность атомов газа1 - длинаГанода, см.счВ 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 ировисация потенциала Ьв электронном пучке было минимально возможным; но несколько большим, чем тепловая энергияк,тионов, т.е.г т это приве"ЬЦ 2;едет к возра.тацю поп р.чц й ргци ионов, т.е, к ворастцццю миттацса цоццого пучка, то крайне ухудшает эффективность цывода его из анода и возможность его дальнейшего использования.Приняв степень зарядовой компенсации 99,97 и найдя линейную плотность заряда электроцов л 14АЧ,где 2 - среднее число осцилляцийэлектронов РЭП, Ч - скорость электронов, Я - импеданс диода, получимвыражение для радиального провисания/-1ЬР=2 Р.1 А 1 О Ра - ( - .В условиях сильной замагниченности РЭП в отражательных системахс пренебрежимо малыми потерями ваноде= 20-40 А - радиус анода,1. - радиус пучка. Для обеспечениявывода из анодного конуса образовавшихся там-многозарядных ионовнеобходимо, чтобы длительностьимпульса была больше, чем среднеевремя движения ионов - Ав в аксиальном направлении в сторону .большогоанодноо торца. Это условие можнозаписать в следующем виде.имАдь ф(2 А/о)",где фд - длина анодного конуса,ла - среднее ускорение движенияионов. Используя для и выражениезаписанное вышеА 1выражение для Ьд и среднее значение25, после некоторых преобразований (при условии)ГА,получаем соедующее выражение,связывающее длину анода с прочимипараметрами ускорителя:Яс ("аз/й 12;т,ос дУпростив это выражение в приближении 2; = 0,25 НА, где ; - средний заряд иона в течение длительно тц цлцЪ 5 ьслл Н - атомный номер зчецта, и ЙА/А - 0,4, где атнц,й вес, получаемгВАсмЪ О сДля А /А,О 2 40 Ом,10с = 1 О мкс получаем А = 150 см.При выполнении этого условия достигается эффективный вывод многозарядныхионов из ацодной полости и их ускорение в А-К зазоре, обеспечивающее генерацию ниэкоэмиттансного пучка многозарядных ионов. Что касается максимально допустимого давления остаточного газа Р, то оно может быть определено из условия"и2 л, где- среднее время ударной электронной ионизациир /Р, здесь А - эмпиричес-кая константа, зависящая от сортагаза, / - давление газа в ммрт. ст.,л25е - время ударной электроннойцоцизации в наносекундах. Для азо-та, к примеру А - 1,6 для водородаА = 5. По сравнению с устройством,выбранным за базовый объект (инжектор "Крцоц") и являющимся в настоящее время лучшим с точки зренияполучения многоразрядных ионов,благодаря высокой плотности электронного потока исчезает необходимо:ть в сверхвысоком вакууме, так 35 как для обеспечения того же значения, появляется возможностьработать при меньших на три порядкадлительностях импульса ч , Радиальный тепловой поток остаточного 40 газа внутрь электронного каналав этом случае сократится соответственно на шесть порядков иэто дает возможность работать в условияхобычного механического вакуума-645 10 -10 мм рт,ст, Высокая плотностьэлектронных осциллирующих потоковпозволяет работать и на большейплотности рабочего газа, что обеспечивает соответственно большие (на 50 три порядка) количества многоразрядных ионов и интенсивность ионногопучка, выводимого из устройства1218911 каз 33 аж 832 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий13035, Москва, 3-35, Раушская наб д. 4/5 Патент", г. Ужгород, ул. Проектная Составитель Ю,Терешкинактор В.Фельдман Техред М,Ходанич Корректор ИЮ