Способ получения многозарядных ионов

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИРЕСПУБЛИН 80,76 и 5 Н Л 2715 стровскии В. Ф. Стр геокоз тяжелых -81 - 139,ОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР О ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТ МУ СВИДЕТЕЛЬСТ(54) (57) 1. СПОСОБ 110.1 У 11 Е 11 ИЛ МНОГОЗАРЯДНЫХ 11011 ОВ, Вклвчакэп 1 ий введение изоцизу 1 мого веществаплазму и Отбор мцогоз 1151 дцых цоцОВ эгектрцческим полем, ог,ичаОи(ийся тем, что, с цельк 1 повышения ццтецсцпцостц и зарядцости пучка ионов, цоцизуемое Вещество вводят В тороидальцый ц 1 цур Всо 5 отемцературной плаз. мы легких азов с петлей на периферии, я отбор ионов произво,51 с поверхности плазменного 1 ццуря петли2. Способ по и. 1, Оглпчглющийг, тем, что иоццземое Вец 1 естВО Вводят В плазму в таком количестве, прц котором Моиность, излучаемая иоцизусх ым Веп 1 естном, не цревыПает 30",51 мощц 5 ктц, полводимой к плазменному 1 ццуру.1076982 5 0 30 1Изобретение относится к источникам ионов и может быть использовано при разработке инжекторов многозарядных ионов ус. корителей заряженных частиц,Известны способы получения многозарядных ионов, включающие зажигание разряда в паро- или газообразной среде ионизируемого вегцества.с последующим извлечением ионов из плазмы электрическим полем. По типу разряда источники многозарядных ионов лелятся на дуоплазмотроны, дуопигатроны, источники Пеннинга и др, 11. В указанных источниках образование мно гозарядных ионов происходит путем ионизации электронным уларом средних и тяжелых атомов в газоразрядной плазме, Основными параметрами, определяющими возможности разных типов источников с точки зрения получения ионов высоких зарядностей, являются энергия электронов Те, их концентрация и и время удержания ионов с данным зарядом в ионизационной камере Г. В традиционных газоразрядных источниках типа Пеннига фактор ионизации и, Г не превосходит величины 10 - О см с, что не позволяет получить в них ионы с зарялностью г 10. Новые источники многозарядных ионов: лазерные, электронно-циклотронные, э.чектронно-лучевые характеризуются высокой энергией электронов, но имеют относительно низкий фактор иониздции пес (10 ф смэ с, что накладывает Ограничения на токи эмиссии этих источников на уровне 11 мА ири зарялности г 10. 15 20 25 водят с поверхности плазменного шнура, петли.Ионизируемое вещество вводят в плазму в количестве, при котором излучаемая веществом мощность не превышает 30/, мощности, подводимой к плазменному шнуру.Предлагаемый способ реализуется с помощью устройства, содержащего ионизационную камеру с отбирающим ионы электродом и систеМу формирования пучка, причем ионизационная камера выполнена в виде тороидальной магнитной ловушки с дивектором, а отбирающий электрод помещен в камеру аивертора. На фиг, 1 приведены стационарные радиальные профили концентрации; на фиг. 2 - то же, потоков многозарядных ионов железа различной зарядности (от +10 до +17); на фиг. 3 - относительное зарядное распределение выходящих потоков ионов железа на радиусе д афрагмы: токамака: р = Г /ЕГ; на фиг, 4 - изменение во врегменя потока ионов железа различной заряд- ности при инжекции в плазменный шнур крупинки железа диаметром 50 мкм; на фиг. 5 - принципиальная схема источника многозарядных ионов. Источник содержит ионизационную камеру 1 в виде тороидальной магнитной ло. вушки с магнитной системой 2, частично изображенной на чертеже, динертор 3, иа. пример, петлевой бандл.дивертор с магнит ной системой 4, В конце дивертора установ. лен отбирающий электрод 5. Линиями 635 40 45 50 55 Наибочее близким к предлагаемому является способ получения многозарядных ионов, включающий введение ионизируемого вегцества в плазму и отбор многозарядных ионов электрическим полем.В известном способе электроны высокой энергии инжектируются в газоразрядную камеру с сильным продольным полем. Введенное вещество ионизуется этими электронами, а ионы отбираются электродом, установленном со стороны, противоположной инжекции пучка, Для получения ионов высокой зарядности используют пучки электронов с энергией несколько килоэлектрон-вольт и более. Благодаря сильному магнитному полю (используются сверхпроводящие катушки) и отбору холодных электронов удается добиться высокой степени зарялности ири низкой интенсивности пучка ионов 21.Цель изобретения - повышение интенсивности и зарядности пучка ионов,Поставленная цель Лостигается тем, что согласно способу получения многозарядных ионов, включающем введение ионизируемого вещества в плазму и отбор многозарядных ионов электрическим полем, ионизируемое вещество вводят в тороилальный шнур вы. сокотемпературной плазмы легких газов с петлей на периферии, а отбор ионов произпоказан ход силовых линий магнитного по. ля на периферии плазменного шнура (не Обозначен), Образующих петлю шнура в ди. верторе.Способ Об. разом.Известным путем в тороидальиой ловушке образуют шнур высокотемпературной (Т,-1 кэВ) плазмы легких газов, в кото. рую вводят ионизируемое вещество. Эксперименты на тороидальных установках показывают, что многозарядные ионы, которые Осугцествляют следующим образуются в плазме в течение разряла, не накапливаются в центре шнура, а Лиффундируют наружу и достигают границы плазмы раньше, чем полностью рекомбинируют. Введение ионизируемого вещества в плазму можно осугцествить разными способами: нанося его на диафрагму, распыляя крупинки в разрядной камере вне объема плазмы или вводя их внутрь шнура.Если для источника ионов выбрать токамак средних масштабов с параметрамиа = 10 см, К = 50 см, Вт = 30 КГс, ц = Ъ (1) где а и К - малый и большой радиусы тора; Вт - тороила.чьное магнитное поле;соэффициент запаса устойчивости, то врея жизни ионов в объеме плазмы, Оцененое по известным скейлингам, оказывается5 15 20 25 30 35 40 45 50 55 пордка 1 = 1 5 мс . средней плотности плазмы п = 2 1 О" - 1 10 см. Этс позволяет получить значение фактора иоцизации на уровне пе= 1 10 - 5 10" см с Скейлинг для электронной температуры в центре плазменного шнура токамака с параметрами (1) приводит к значению Те(0) дф 0,5 кэВ, При такой температуре и высОком факторе ионизации примесь железа ионизуется до состояния г 18, а примесь молибдена и вольфрама до состояний с г =25 и г =30 соответственно.Допустимый уровень концентрации примесей в экспериментах на установках токамак определяется условиями энергобаланса в центральной части плазменного шнура. Мощность потерь на излучение ионизируемого вещества не должен превышать определенной доли (300/О) вкладываемой мощности. При большей доле мощности излучения преимущество ввода ионизируемого вещества в плазму легких газов пропадает в связи с ее резким охлаждением, В тока- маке с параметрами (1) вкладываемая при омическом нагреве удельная мощность составляет величину - Вт см . Следовательно, в таких установках удельная мощность радиационных потерь не должна превышать -0,3 Вт смво избежание переохлажления плазмы, Тогда допустимую концентрацию вещества находит из соотношенияЯрах рад ПеПи (г) где (,)аа - удельная мощность радиационных потерь; пе - концентрация электронов; п - концентрация примесей в плазме; раа - скорость излучения энергии (Вт см). В частности, для железа при Те ф.0,5 кэВ 5 рад = 5 10Вт см. Г 1 одставляя это значение Ярав соотношение (2), для плазмы с концентрацией электронов и р = 5 1 Оц смполучим допустимую концентрацию железа и =10 см .Отметим, что в токамаке Т - 10 в режиме омического нагрева регистрируется предельная концентрация железа в плазме п,= 10" см, при превышении которой наблюдается охлаждение плазмы в центре шнура. В экспериментах на этой же установке измерены скорости поперечной диффузии многозарядных ионов Аг+", которые оказались на уровне Ч = (4 - 5) 10 а см с . Эти данные позволяют оценить величину удельного потока многозарядньх ионов железа на стенку камеры: Гр, щ 5 10" см" с .Применение наряду с омическим дополнительных методов нагрева (инжекция нейтралов высокой энергии, ВЧ-нагрева) позволит повысить допустимую концентрацию примесей и увеличить выходящий поток многозарядных ионов.Для более точной оценки интенсивности и зарядового состава выходящего потока проведено решение системы уравнений диффузий примесей в токамаке.Расчеты проволятся лля установкипараметрами (1) при радиусе лидфрдгмы а, = 8 см, Те(0) = ,5 кэВ и пе(О) =- 5 Х Х 1 О" см з. Нд фцг. 1 и 2 привелць стационарные ралиа,чьцые профили коцццтрд. ции и потоков многозарядных ионов железа. Их источником служит поток атомов железа, поступающий со стенки ца границу плазмы. На фиг. 3 показано пдрцидльцое зд. рядовое распределение выходящих потоков ионов железа на радиусе лидфрдгмьц Р, = Г /ХГг. Видно, что ца долю ионов с зарялностью 7О приходится около 25% полного потока. При повышении Те(О) ло 0,7 кэВ эта доля возрастает до 30%.Если источник железа поместить внутрь шнура, то доля высокоиоцизованцых ионов в выхоляшем потоке увеличивается. Нд фиг. 4 показаны временные зависимости выхоля. ших на ралиусе диафрагмы потоков ионов железа при инжекции малой крупинки железа (диаметр крупинки - 50 мк) в центральную часть плазменного шнура при Те(0) = 0,7 кэВ. Время отсчитывается от момента инжекпии крупинки. В случае внут. реннего источника иоцизируемого вещества до 800/О ионов железа выходит с зарялцостью Ха 0. Лля вывода примесных ионов с поверхности плазменцого шнура тороилальцая магнитная ловушка дополняется известным устройством - магнитным ливертором. Ливертор выполняет лве функции: он собирает по. ток плазмы и примесцых ионов во всей поверхности плазменного шнура и отволит поток плазмы за прелель тороилальцой камеры, в область существенно меньшего магнитного поля (В1 О кГс), Ливерторный объем, заполненный плазмой и расположенный за пределами тороилальцой ловушки, является эмиттером многозарядных ионов, которые извлекаются, формируются известным, применяемым во всех плазменных источциках, способом - с помощью отбираюших и фокусирующих электролов, сепаратора, линз и да,чее по цоцоцроводу лоставляются в ускоритель тяжелых ионов. В тока- маке с параметрами (1) ток ионов железа с 2 = 10 - 6, поступающий в дивертор, может достигать величины 1 ре = , 5 ге =1 А. Использование цзобртецця позволит почучить высокоэнергичцые интенсивные пучки многозарядных ионов црц существенно меньших габаритах ускоритлей тяжелых ионов, что даст экономию при решении ряда научных и цриклалных ад чдч, в числе которых: синтез трансурановых деметов, изготов. ление прецизионных ялрных фильтров, ионная радиогрдфця и рдлиотрация.1076982 Г,10 сис фиг. К Редактор А. ВласенкоЗаказ ЭФЦ 99 Составитель В. ОбуховТехред И. Верес Корртьо Р т овтТираж 683 1 олп, нВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий3035, Москва, Ж - 35, Раушская наб., л 4 "Филиал ППП аПатентэ, г. Ужгород, ул. Гроектнаи