Способ уменьшения фазового объема атомного пучка

ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕН ИЯК АВТОРСКОМУ СВМДЕТЕЛЬСТВУ Союз Советских Соииалистических Республик) Приоритет -43) Опубликовано 23,12.81. Бюллетень4745) Дата опубликования описания 23.12.81 53) УДК 621.38по делам изобретений и открытий(72) Авторы изобретения Л, Варенцов и В. В. Я 71) Заявитель адский институт ядерной физикиим. Ь, П. Константинова ен(54) СПОСОЬ УМЕНЬШЕНИЯ ФАЗОВОАТОМНОГО ПУЧКА ЬЪЕМА 2 Изобретение относится к экспериментальной физике и может быть использовано при исследованиях на линейных и циклических ускорителях, ядерных реакторах, масспектрометрах, массепараторах и других физических приборах, которые применяются в экспериментах с пучками ионов и нейтральных атомов.Точность, время проведения и зачасту 1 о даже возможность выполнения важных физических экспериментов во многом определяются качеством формирования используемых в этих экспериментах атомных пучков, т. е. их размерами, угловой расходимостью, монохром атичностью. Для опи обычно пол го фазового пульсов (й частиц зан объем ания д ьзуются простр . В это амает 6) = др юг 0 где 1 р = ар,. Йрср,- - элементарные об емы в пространстве импульсов и координа соответственно. Уменьшение фазового объема озн уменьшение размеров, энергстическо углового разбросов пучка частиц. Од общий физический закон (так называ теорема Лиувилля) не позволяет это лать с помощью любых заданных вне сил. Зто значит, что невозможно ук шить фазовый объем пучка частиц п ускорения и фокусировки в любых не сящих от движения отдельных ч электромагнитных полях. Уменьшения зового объема пучка частиц можно до лишь при приложении к пучку диссип ных сил (например, сил трения), т. е, сил, чтобы характер их действия н существует целыи ряд фив и методов, для эффекоторых требуются пучки ных атомов с как можно й) энергией. На практислучаев пучки частиц еский разброс, гораздо ловой. Замедление пучков х энергий в электромагязано со значительными вности первичных пучков, ки нейтральных атомов сивности известными споб с 30 Вместе с тем зических приборо тивной работы к ионов и нейтраль меньшей (теплово ке в большинстве имеют энергетич больший, чем теп ионов до тепловь нитных полях св потерями интенсиЗамедлить пу ез потерь интен обами невозмож с присоединением заявки ц 774523 вижения пучка частицпонятием шестимерноанства координат и имм пространстве пучок определенный фазовый ачает го и нако емая сдешних еньутем завиастицфастичьативтаких а отт, Ь-92 т, Ы,дельную частицу пучка зависел от се индивидуального движения.Таким образом, решение задач как формирования, так и замедления атомных пучков зависит от возможности уменьшения фазового объема пучков.Важной характеристикой любого способа уменьшения фазового объема является время, в течение которого происходит это уменьшение, что осооецно существенно в экспериментах с пучками короткоживущих частиц,Известен способ, так называемого, стохастического уменьшения фазового объема пучка ионов в циклических ускорителях 11.Это достигается путем введения в цикл ускорения быстрой электронной обратной связи, за счет которой уменьшается поперечная составляющая фазового объема пучка ионов при неизменной продольной составляющей, Степень уменьшения фазового объема во многом определяется качеством сложной электронной схемы обратной связи.Однако этот способ сложен, может быть применен только для циклических ускорителей ионов и непригоден нри работе с пучками нейтральных атомов.Известен также способ уменьшения фазового объема пучков протонов за счет электронного охлаждения 2. Энергетический разброс пучка протонов и его фазовый объем можно охарактеризовать эффективной температурой где т - масса протона;ЛУ - разброс по скоросгям протоновв пучке.Тогда пучок можно рассматривать как движущийся протонный газ с температурой Т, Уменьшение фазового объема пучка протонов способом электронного охлаждения осуществляется путем введения параллельно протонному пучку пучка электронов с той же скоростью, но с гораздо меньшим энергетическим разбросом. Это означает, что температура движущегося электронного газа равна где т, - масса электрона;Л 11, - разброс электронов по скоростям.Таким образом Т,с Т. При взаимодействии протонов с электронами происходит выравнивание температур обоих газов и, следовательно, охлаждение протонного пучка, что уменьшает фазовый объем пччка ппотонов. 5 10 15 20 25 Зо 35 40 45 50 55 60 65 Роль диссипативных сцл трения здесь играет кулоновское взаимодействие протонов и электронов. Температура электронного газа равна О/2 ХВ, что соответствует тепловому разбросу при 2300 К. Это обстоятельство, а также трудности формирования электронных пучков большой плотности с энергиями до сотен электроновольт (что соответствует энергии ионов до десятков МэВ) из-за кулоновского расталкивания делают невозможным применение данного способа в области низких энергий ионных пучков.Использование этого способа для уменьшения фазового объема пучка тяжелых ионов затрудняется также ионэлектронной рекомбинацией, приводящей к потере интенсивности ионного пучка. Для исключения этого вместо электронов используют холодный протонный пучок, получение которого сопряжено с большими техническими трудностями.Кроме того, способ электронцого охлаждения реализован только для пучков в циклических ускорителях, оц непригоден для уменьшения фазового объема пучков нейтральных атомов, а замедление пучка ионов этим способом до тепловых энергий принципиально невозможно.Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ уменьшения фазового ооъема атомного пучка, используемый на 150/.ВЕ в ЦЕРНе Д, Уменьшение фазового объема по этому способу достигается путем прилон;ения к пучку атомов диссипативных сил трения за счет атом-атомных столкновений частиц пучка с атомами твердой фольги, приводящих к замедлению и охлаждению пучка, При замедлении в твердом веществе частицы пучка внедряются в него, Для осуществления эффективной диффузии частиц пучка к поверхности фольги и испарения с нее, фольгу разогревают до высокой температуры (около 2000 К). Время на диффузии атомов пучка до их испарения из фольги составляют от 100 мс до десятков секунд,Недостатком этого способа является ог. раниченность области его применения, Так, способ может быть применен только с такими ионными пучками, для которых первые потенциалы ионизации атомов меньше 7 эВ. Доля таких атомов составляет лишь небольшую часть от всех атомов, ионные пучки которых нужны для физических исследований. Это связано с тем, что эффективно поверхностная ионизация происходит лишь в том случае, когда потенциал ионизации испаряющихся атомов меньше рабо. ты выхода электрона из вещества фольги. Но даже при выполнении этого условия максимум 60 - 80% атомов испаряются в ионизованном состоянии, Кроме того, из-за равновероятности направлений диффузии из фольги и в фольгу меньше 50% атомовСкаюСяПсвсркцогтт 11 ц ,т 1- -, 2 Время порядка 100 мс. Таким образом, интенсивность вторичного атс.ного пуп;2 составляет в лучшем случ 2 е 3040 О,От интенсивности исходного пучка атомсз. Значительное время диффузии ограничивает использование способа для пучков коротко- живущих атомов с временем жизни меньшим 100 мс. Немоцохроматичность по энергии получаемого пучка определяется тепловым разбросом при температуре порядка 2000 К. Угловой разброс при этом составляет 90, т. е, Во все полупространство перед фольгой.Целью изсоретения является повыц:сцие эффективности и ускорение процесса уменьшения фазового обьема пучка.Ук 232 нная цель достиГ 2 ется те 1, что по прсдложенцсму способу уменьшения фазового объема атомного пучка, заключающемуся в его замедлении и охлаждении за счет атом-атомных столкновсцй, пу ок вводят в сверхзвуковую струю газа. Для умсньц:ения энергии, углового и энергетическогоразбросов атомного пучка газ сверхЗвукбВОи струи прсдв 2 рцтсльцс ОхлажлаОт.На чертеже представлена схема устрсйстВ 2, рс 2 лцзующеГО предлагаемы Сцсссб.Устройс" во состоит из акс 1 аль;о симметричного сверхзвукового сопла Лаваля 1, камеры смешения 2, входного канала 3, сужающегося сопла 4 и отводного стакана 5.Выходящая цз радиального сопля 1 сверхзвуковая струя газа, например Не, заполняет камеру смешения 2. Пучок атомов вводят через канал 3 в ооласть, заняту 1 О сверхзвуковой струей. г 12 стицы пучка за счет столкновений с атомами газовой струи теряют свою энергию и замедляются ло скорости, соответствующей скорости распространения сверхзвуковой струи. Олновремснцо происходит охлаждене пучка лс температуры газа струи. Замсдлецныс атомы пучка подхватываются струей газа и вместе с ней поступают в сопло 4, где происходит замедление сверхзвуковой струи и, следовательно, атомов пучка за счет сужающегося профиля сопла. Выходящий в вакуум из сопла 4 поток газа расширяется. Причем угловой разброс частиц газа определяется только массой частиц и тепловыми флуктуациями скорости относительно поступательного движеия истс:сция газа в вакуум.С помощью сужающегося сопла пучок вместе со сверхзвуковой струей сжимают и, следовательно, добиваются дополнительного уменьшения фазового объема.При определенном в,хсдном сечении сужающегося сопла и пропускац через него всего газа, выходящего из сверхзвукового сопла Лаваля, происходит запирание сужающегося сопла избыточным количеством газа, При этом система выходит5 10 15 20 25 ЗО 35 40 45 50 55 60 65 Для работы с цоцными пучкамц цспользу 1 от сверхзвуковые струи таких газов, потсццал цонцзаццц которых больше той же Велчццы для атомов пучка. Прц этом отсутствуют потери интенсивности ионного пучка из-за нейтрализации цри перезарядке:онов пучка на нейтральных атомах газа. Таким образом, предлагаемый способ применим практически для пучков любых ИОНОВ. из свсрхзв",КОВОГО рсжим 2. Б э;см сл чае пссрсчное сечение сужающегося сопла дела:ст мсцьп 1 е поперечного сечения свехзв, новой струи и таким образом осуществляют отвод избытка газа. В устройстве, представленном на чертеже, отвод делают через пространство между стаканом 5 и внешней поверхностью сужающегося сопла 4.,Ля отделения Основного количества газа сверхзвуковой струи от пучка атомов применяют различные системы отсекателсй, 1 тс Оказывается Воз.Ожнь 1 м изразности В угловых распределениях для струи газа ц атомов пучка, во-первых, ц из-за разности в атомных весах для газа струи и частиц пучка, во-вторых. В первом случае такие отсекатсли выполцяют в аиде диафрагм, вовтсром - в виде поперечной струи газа.спользование сверхзвуковой струи газа в качестве носителя диссипативных сил рс:я определяется следующими основными прчинами. Изменяя давление газа на входе в сопло Лаваля, подбирают оптимальную плотность газа сверхзвуковой с руи лля эффсктивнОГО Замедления, чсГО 1;сльзя добиться, используя извсстцыс фольги. 1 Спольз я сверхзвуковую струю газа, поддерживают ца входе в устройство достато Ный вакуум, при котором пучок це размывается до попадания в струю. Это просходт цз-за резкой границы между вакуумом ц сверхзвуковой струеи. Замедляя пучок в направленно движущемся газе, сокращаст Время, 32 котороемсць 11 астся фазовый объем пучка до 1 10с. Это Время определяется длиной используемого ус ройства и скоростью звука для газа сверхзвуковой струи. Кроме того, минимально возможный энергетический разброс пучка ца выходе используемого устройства сре;1 елястся темпсратурокоцдсцсяццц га свсрхзвуковоц струн, Эта темпсратура в общем случае намного меньше температуры фольги, необходимой лля эффективного цспарсцця атомов по способу, используемому наБОЕРЕ в ЦЕРН. Поэтому целесообразно выбирать газ с низкой тсмпсрятурой коцлсцсации, например Не, охлаждая его ло температуры жидкого азота (ТК) . При меньшсции тсмператры Г 232 сВС 1)хзвуковой струи происходит уменьшение энергии и углового разброса атомного пучка ца выходе устройства.774523 Ф ор мул а изобретения Составитель .1. Икоев Редактор Л. Утехина Техред Л, Куклина Корректор С, файн Заказ 1627,1233 11 зд. ЛЪ 602 Тираж 880 ПодиисносНПО Поиск Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 Тип. Харьк, фил. пред. Патент Для обеспечения работы способа с пучками нейтральных атомов используют сверхзвуковые струи таких газов, при взаимодействии которых с пучками нейтральных атомов в атом-атомных столкновениях не происходит образования ионов в пучках нейтральных атомов, Таким образом, при правильном выборе газа сверхзвуковой струи предлагаемый способ уменьшения фазовых объемов пучков позволяет формировать пучки ионов и нейтральных атомов тепловых энергий с разбросами по энергии, соответствующими температуре газа сверхзвуковой струи, практически без потерь интенсивностей исходных пучков. 1, Способ уменьшения фазового объемаатомного пучка, заключающийся в замедлении и охлаждении пучка за счет атом.атомных столкновений, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения эффективности способа и ускорения процесса, атомный пу чок вводят в сверхзвуковую струю газа,2. Способ по п. 1, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что, с целью уменьшения энергии, углового и энергетического разбросов атомного пучка, газ сверхзвуковой струи предварительно охлаждают. Источники информации, принятые вовнимание при экспертизе:1. Р. Вгагп 1 атп а 1 а 1 Мпс 1 пз 1 г. апс 115 е 11, 1975, 125, с. 201.2. Будкер Г. И., Скринский А. М. УФН,124, вып. 4, 1978, с. 561.3, 3" 1 иегпай 1 опа 1 Соп 1 оп Хпсе ГегЕгогп ЯаЬ 1 Иу, Степе а, 1976, р 93 (про 20 тотип) .