Способ получения пучка отрицательных поляризованных ионов водорода

(5)5 С 21 К 1/1 ИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ереза рядноектируемых О О ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНВЕДОМСТВО СССРГОСПАТЕНТ СССР) АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬС(71) Институт ядерных исследований АН СССР(56) И/.НаеЬег. Ргос. пт. И/огЕзЬор оп Роагген Яоцгсез апс Тагцетз. НРАСАК, ч.59, Л. 4, 1986, р. 513.И/. ОгбеЬег. Ргос, ЯХй пт. сутр. Роаг. РЬепоа. и йвс, Роуз. ОзаМа, 19853.Роуз. Яос. о 1.арап, ч. 55 (1986), р, 435,И.НаеЬег Мне, пзбг. апб Мейч, 62 (1968), р. 62.(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПУЧКА ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ПОЛЯРИЗОВАННЫХ ИОНОВ ВОДОРОДА Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для получения пучков отрицательных ионов в источниках поляризованных частиц.Отрицательные поляризованные ионы получают способом двойной перезарядки положительных ионов в отрицательные при прохождении пучка через газовую мишень, Мишень находится в магнитном поле, которое препятствует деполяризации ионов,Аналогичный способ используют в лазерных источниках, где на газовой мишени перезаряжают в отрицательные ионы пучок поляризованных нейтральных атомов с энергией около 5 кэВ,Интечсивность пучков отрицательных ионов, получаемых данными способами, определяется эффективностью перезарядки, под которой понимают отношение потока Ы 179000(57) Использование: в ускорительной технике, Сущность изобретения: в область с продольными магнитным и электрическим полями в вакууме инжектируются встречные пучки поляризованных атомов с тепловой энергией и нейтральных щелочных атомов, Образующиеся в области пересеченных пучков отрицательные поляризованные ионы направляются в ионно-оптическую систему, в которой ускоряются до кэВ-ных энергий. Причем в области пересечения пучков щелочные атомы переводятся в возбужденное состояние лазерным излучением с частотой перехода атома из основного состояния в возбужденное, 1 ил,отрицательных ионов после и и мишени к потоку частиц, инж в мишень.Для получения поляризованных отрицательных ионов водорода чаще всего используют перезарядку пучка поляризованных протонов на натриевой мишени, Эффективность перезарядки для этого случая равна 5-10 %, Поэтому интенсивность пучков поляризованных отрицательных ионов водорода, получаемых данным способом, более чем на порядок меньше интенсивности пучков поляризованных протонов, Такое же соотношение имеется и в лазерных источниках поляризованных отрицательных ионов водорода,В источниках классического типа с атомарным пучком для получения поляризованных отрицательных ионов водородаН Т + Сз- Н- + Сз . Возникающие в результате реакции перезарядки поляризованные отрицательные ионы водорода ускоряются слабым электрическим полем, создаваемым в области столкновения пучков, по направлению к ионна-оптической системе, в которой они ускоряются до энергии порядка 10 кэВ и затем выводятся из источника. Сечение реакции (1) оо равно 3 101 см, Эффективность ионизацииполяризованных атомов водорода в данном способе равна:(2) 7 = одой,где 1 - плотность потока атомов цезия в области столкновения пучков;г= ОЧ - время, в течение которого атом водорода находится в области столкновения пучков;- длина области столкновения пучков; Ч - средняя скорость атомов воророда.По данным работы 31: )о= 610 см с1 -2 -1 о=3 10 см, .=ЗОсм, У=10 см си из формулы (2) имеем; з = 5 10, то есть в отрицательные ионы в данном способе конвертируется лишь малая часть (0,5) поляризованных атомов водорода. Интенсивность пучков, получаемых данным способом, равна 30 мкА и, несмотря на относительно низкую эффективность. ионизации, сравнима с интенсивностью источников, работающих на основе других вышерассмотренных способов, Это связано с тем, что в данном способе отрицательные поляризованные ионы генерируются непосредственно из интенсивного пучка тепловых поляризованных атомов водорода,Целью изобретения является повышение интенсивности пучка поляризованных отрицательных ионов водорода.Способ заключается в том, что в область с продольным магнитным и электрическим полями в вакууме инжектируются встречные пучки поляризованных атомов водороиспользуется способ встречных пучков, заключающийся в том, что в область с продольным магнитным полем инжектируются пучки поляризованных атомов водорода с тепловой энергией и нейтральных атомов цезия с энергией 50 кэВ З, Этот способ принят за прототип предлагаемого изобретения.В,данном способе поляризованные отрицательныеионы водорода получаются в результатереакции захвата атомом водорода связайногб электрона у атома цезия;(3) 50 55 5 10 15 20 25 30 35 40 45 да с тепловой энергией и нейтральных щелочных атомов; образующиеся в области пересечения пучков поляризованные отрицательные ионы направляются к ионнооптической системе, в которой ускоряются до кэвных энергий, причем в области пересечения пучков щелочные атомы переводятся в возбужденное состояние излучением, длина волны которого выбирается исходя из того, чтобы потенциал ионизации возбужденного атома был близок по абсолютной величине к энергии сродства к электрону атома водорода (0,754 эВ),Изобретение иллюстрируется следующим примером, в котором в качестве донор- ного пучка щелочных атомов рассматривается пучок атомов цезия.На чертеже показан способ получения отрицательных поляризованных ионов.Область ионизации 1 находится в продольном магнитном поле, создаваемом соленоидом 2, В этой области катушкой 3 создается также электрические поле. В область ионизации инжектируется пучок поляризованных атомов водорода с тепловой энергией и, во встречном направлении, пучок атомов цезия. Коллинеарно с пучком атомов цезия распространяется лазерное излучение от перестраиваемого лазера, которым в атомах цезия индуцируются резонансные переходы, что приводит к появлению а в цезиевом пучке возбужденных атомов, В данном примере длина волныоравна 3876,1 А, Излучением такой длины волны в атомах цезия индуцируются переходы Ы 1 д-+8 Рзд. Может быть использовано излучение другой длины волны, например, соЛ= 3888,6 А, при этом будут индуцироваться переходы 631 П 8 РВ В области ионизации происходит образование поляризованных отрицательных ионов водорода путем реакций: Н+ Сз-+Н + Сз,Н+Сз- Н + Сз,где Сз и Сз - атомы цезия в основном и возбужденном состояниях соответственно, Образующиеся поляризованные отрицательные ионы водорода имеют низкую энергию (доли электронвольта) и удерживаются в радиальном направлении магнитным полем соленоида, В аксиальном направлении ионы ускоряются слабым электрическим полем, создаваемым катушкой 3, по направлению к ионно-оптической системе 4, где ионы ускоряются до энергии порядка 10 кэВ. Да1790007 у =тХ 1 а,(4) лее пучок ускоренных отрицательных ионов поворачивается на угол 90 электростатическим зеркалом 5 и выводится из источника.Эффективность ионизации поляризованных атомов водорода в данном способе и, следовательно, интенсивность пучка поляризованных отрицательных ионов водорода определяется по формуле; где 1 - плотность потока атомов цезия, находящихся в 1-ом возбужденном состоянии;с - сечение захвата атомом водорода связанного электрона у атома цезия, который находится в 1-ом возбужденном состоянии.Даже если атомы цезия возбуждаются изучением в одно состояние, в пучке будут находиться атомы цезия в разных возбужденных состояниях из-за того, что атомы цезия будут испытывать спонтанные ступенчатые переходы из верхнего возбужденного состояния в основное. Если я ) Оо (для1), то Оо ( Х 1 Я Оо ) ) о Оо, то есть в данном способе эффективность ионизации поляризованных атомов больше, чем в способе принятом за прототип, если сечение захвата связанного электрона поляризованным атомом у возбужденных щелочных атомов больше, чем сечение захвата электрона у щелочных атомов в основном состоянии.Сечение рассматриваемого процесса зависит от величины д я = еи - е, где ив энергия ионизации щелочного атома; яв энергия сродства к электрону поляризованного атома водорода,Для атома водорода яс= 0,75 э В, энергия ионизации атома цезия в основном состояФормула изобретения Способ получения пучка отрицательных поляризованных ионов водорода, заключающийся в инжектировании в область ионизации поляризованных атомов водорода с тепловой энергией и нейтральных атомов щелочного металла, направлении образующихся отрицательных поляризованных ионов водорода в ионно-оптическую систении равна 3,89 эВ, и величина д е = 3,14 эВ.Для возбужденных состояний атомов цезия уменьшается энергия ионизации и величина д е. В частности для состояния 8 Р(2: 5 еи = 0,69 эВ и д е = 0,06 э В. Сечение захвата связанного электронаопределяется приближенной формулой:10ст = 4 тг е( к )/д Р, (5) где е - заряд электрона;(к) - некоторая функция безразмерного параметра к.И з формулы (5) следует, что сечениезахвата увеличивается при уменьшении величины д я, поэтому, в частности, для возбужденных атомов цезия сечение процессазахвата связанного электрона больше, чемдля атома цезия в основном состоянии. Следует отметить также, что атомы цезия имеютнаименьший потенциал ионизации, чемобьясняется использование именно пучкаатомов цезия в рассматриваемом способевстречных пучков.Следовательно, эффективность ионизации атомов водорода в предлагаемом способе больше, чем в способе, принятом запрототип.При этом для высоковозбужденных атомов цезия, в том числе и для атомов цезия всостоянии 8 Р, реакция захвата связанногоэлектрона атомом водорода становится экзотермичной, то есть она протекает с выделением энергии и является беспороговой,поэтому возбужденные атомы цезия могутиметь низкую энергию, в частности пучоквозбужденных атомов может быть тепловым,45 му и их ускорении в ней до энергий в диапазоне кэВ, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения интенсивности получаемого пучка, атомы щелочного металла переводят в возбужденное состояние 50 излучением, длина волны которого выбранаиз условия близости потенциала ионизации возбужденного атома по абсолютной величине к энергии сродства атома водорода к электрону,55Тираж Подписноевенного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 Гос Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 10