Способ генерации пучка ионов

(51)5 ИЕ ИЗОБРЕТЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМГ 1 РИ ГКНТ СССР ТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(56) Князев Б, А., Лебедев С. В.,Меклер К.И. Получение облака плазмыс заданным составом элементов вблизи поверхности в вакууме. ЖТФ, 1986,т 56, в, 7, с. 1319-1327,Барабаш Л.З Быковский Ю.А.,Кречет К.И., Хайдаров Р.Т., Шушмуров А.В., Яарков Б,Ю. формированиеинтенсивного пучка тяжелых ионов излазерной плазмы, Преприит ИТЭР 86-14ЦНИИатоминформ, 1986, с. 28.(54) СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ПУЧКА ИОНОВ(57) Изобретение относится к ускорительной технике и может быть исполь 1 эовано при разработке сильноточныхимпульсных ускорителей тяжелых ионовнеобходимых для проведения исследований в области термоядерного синтеза. Цель изобретения " повышение кагчества пучка - достигается путем увеличения плотности ионного тока и уменьшения энергетического и зарядового разброса ионов, а также расширение диапазона сортов ионов. Для генерации сильноточкых пучков ионов га ообразных веществ рабочий газ, на пример азот, аргон, ксенон, с помощью импульсного натекателя 1 через трубчатый анод 2 подается в ускоряющий диодый зазор между анодом 2 н пнпиндрпчески. катодом 3, размещенными в вакуумной камере 4. В камере магнитными кдтушкати 5 создается на растающее магнчтное поле с магнитными силовыми линиями 6, Ионизация газа в ускоряющем промежутке осуществляется под воздействием вихревого магнитного поля, создаваемого катушками 5, Образовавшийся при этом сгусток плазмы является источником пучка ионов, Образующиеся пары рабочего вещества 11 заполняют промежуток между анодом 2 и катодом 3.з,п. ф-лы, 2 ил.3 1507195Изобретение относится к ускори.тельной технике и может быть использовано при разработке сильноточныхимпульсных ускорителей тяжелых ионов,необходимых для. проведения исследований в области управляемого термоядерного синтеза,Целью изобретения является повышение качества пучка путем увеличе" 1 Ония плотности ионного тока и умень-шения энергетического и зарядовогоразброса ионов, а также расширениедиапазона сорта ионов.Согласно данному способу плазму 15создают после заполнения ускоряющегодиодцого зазора газообразным рабочимвеществом, воздействуя на него бы -стронарастающим магнитным полем сгеометрией типа остроугольной ловушки и скоростью нарастания ЯВЙ 1),.соответствующей условиюйВ/дк 3 10 В (1)где К (М) - средний радиус магнитнойловушки,при этом импульс ускоряющего напряжения подают в момент достижения магнитным полем своего максимальногозначения Вь(Т), а амплитуда 11 (В) импульса ускоряющего напряжения удовлетворяет соотношениюш /Ь сП,/1 О В К 0,001, (2)где ше/О; - отношение месс электрона 35и иона соответственно,Для получения паров рабочего вещества цз мишени, содержащей рабочеевещество в конденсированном состоянии, ее облучают лазерным излучением, 40интенсивность которого на поверхности мишени и (Вт/м) устанавливают всоответствии с соотношениемАС,/1 ОКц,) /Ж %7 1 С;, (3)45где А - атомный вес;- плотность, кг/мЮ - коэффициент электронной теплопроводности вещества мишени, Дж/м с град 1 55й - длительность лазерного импульса, с.Благодаря тому, что скорость нарастания остроугольного магнитного по 4ля, а также амплитудные значения магнитного поля и ускоряющего напряжения удовлетворяют условиям (1, 2), происходит эффективная ионизация газообразного рабочего вещества и образование в ускоряющем диодном зазоре плазмы с замагниченнь.ми электронами и узким зарядовым спектром ионов; эа счет чего и обеспечивается достижение главной цели изобретения,Кроме того, облучая мишень, содержащую рабочее вещество в конденсированном состоянии, лазерным излучением с интенсивностью в соответствии с условием (3) получают пары рабочего вещества в диодном зазоре, благодаря чему обеспечивается расширение диапазона сортов ускоренных ионов.При выполнении условия на скорость нарастания магнитного поля в диодном зазоре индуцируется вихревое электрическое поле напряженностью, обеспечивающей ускорение электронов до величины, превьппающей потенциал ионизации атомов газообразного рабочего вещества. При этом происходят электрический пробой в раб-Чем газе и его эффективная ионизация с образованием плотной плазмы, иовы которой имеют лекую среднюю кратность иоцизации 2 , Благодаря использованию нарастающего во времени магнитного поля о конфигурацией типа остроугольной ловушки происходит накопление плазмы в ловушке, н за время нарастания магнитного поля концентрация плазмы растет, достигая своего максимального значения в момент максимума магнитного поля. Сужение зарядового спектра ионов при этом обеспечивается тем, что ионы с 7.,с 2выгорают" за время нарастания магнитного поля, а ионы с 7,;)2, практически не образуются, поскольку энергия электронов плазмы, обусловленная скоростью царастация магнитного поля, недостаточно высока для этого.Эффективное ускорение ионов плазмы в поперечном магнитном поле в ускоряющем зазоре обеспечивается при условии, когда ларморовский радиус электронов 1 цого меньше, а ларморовский радт,с ионов больше размеров этого зазора, Это достигается в предлагаемом способе за счет создания в диодном зазоре остроугольной магнитной ловргк: -. параметрами удовлет" воряющимп условиям (1, 2), Благодаря5150319тому, что ускорение ионов при этомпроисходит в кназицейтральной плазмев момент достижения магнитным полемсвоего максимального значения снима 5ется ограничение ца величину тока ускоренных ионов объемным зарядом, чтопозволяет увеличить плотность ионноготока на 3-4 порядка по сраннению спрототипом, 10Таким образом, при воздействиииа газообразное рабочее нещестно быстронарастающего магнитного поля остроугольной геометрии по данному способу г ускоряющем зазоре создается 1 бплазма с заданными параметрами и обеспечиваются необходимые условия длягенерации сильноточных ионных пучковВ качестве газообразного рабочеговещества по предлагаемому способу мо - Огут быть использованы различные газы, напускаемые импульсным натекателем в диодный промежуток, либо парыразличных веществ, содержащихся вконденсированном состоянии на поверхности мишени, облучаемой импульсным лазерным излучением. Для обеспечения требуемого режима испарения интенсивность лазерного иэлученця с 1 (Вт/и ) должна удовлетворятьсоотношению (3),Практическая реализация способапоясняется схемами ца фиги 2.Для генерации сильцоточцых пучковионов газообразных веществ рабочийгаз (например, азот, аргон, ксецон)с помощью импульсного натекателя 1(фиг1) через полый трубчатый анод2 подается в ускоряющий диодцый зазор между анодом 2 и полым цилиндри пческим катодом Э, размещеиццми н вакуумной камере 4, где с помощью магнитных катушек 5 создается бцстроцарастающее магнитное поле типа остроугольной магнитной ловушки с магнитными силовыми линиями 6, Ионизация газа в ускоряющем промежутке осуществляется под действием вихревого электрического поля, ицдуцируемого катушками 5, Образовавшийся прц этом сгус- БОток плазмы является иСточником пучкаионов со средней кратностью иоццзации 2 г, Для Формирования сильноочных ионных пучков в момент времени,соответствукщий максималг,ному значению магнитного поля В , между анодом2 и катодом Э от генератора 7 подается импульс ускоряющего напряжения с.амплитудой О, и длительностью С 16 ЬС 5 8где Дй - время нарастания магнитногополя, При начальной концентрации раlбочего газа в скоуяющем зазоре на уровне 1 О -10 м , а средняя кратностьй Мионизации ионов 2,г 3-4. В этом слу" чае для генерации ионных пучков с6 7плотностью тока 1 О -10 А/м ускоряющее напряжение О долэкно иметь величину 1 О - 10 В при длительности има-6пульса О с,максимальном значении Вп - 1 Т и времени нарастания поля Дг й 1 О с концентрация плазмы достигает величины, большей или равной1 ОДля расширения диапазона сортов ускоренных ионов плазму создают иэ паров рабочего рещества, содержащегося в конденсированном состоянии на поверхности мишени, облучая ее лазерным излучением с интенсивностью в соответствии с условиями (Э). Для этого излучение от лазера 8 (фиг,2) с помощью линзы 9 фокусируют иа мишень 10, размещенную в вакуумной камере 4, Образующиеся при этом пары рабочего вещества 11 заполняют ускоряющий промежуток между анодом 2 и катодом Э, где с поьяэщью импульсных магнитных катушек 5 созлнат .я быстро- нарастающее и"нитное пле остроуголь цой геометрии, Ионизация паров г. уев коряющем промежутке осуществляется под действием вихревого электрического поля, нг зцикающего прц изменении магнитного потока остроугольнэй ловушки с манитными силовыми линиями 6, Образоганщаяся плазма является источником пучка ионов, формируемых при приложении импульса ускоряющего напряжения от гецера гора /. Для формцнонация ицтецсцвцых пучков тяжелых ионов (А 200) с плотностью тока6 7 210 -10 А/и необходимо в ускоряющем промежутке создать плазму с плг тно 9 й"тью 10 м что достигается н данном способе прц плотности паров в остроугольцой магнитной ловупке наяоуровце 1 О м . Требуемая плотность паров обеспечивается црц облучении свинцовой мцщеци лазерным цэлу;ециемс птецсивцостью 1 О Вт/и и длительностью импульса 0,5- мкс. Приюг 1 с 10 -10 Вт/м испарения цет, аЮпрц г 11 О Вт/м происходит лазерный пробой с обраэоэоцаццем лазерной плазмы. Для эффективной иоццзации паров скорость нарастания магнитного поля в остроугольной логушке долж"на быть яе менее 10 Т/с (си, формулу (1)1 при среднем радиусе ловушки 31(Г м, что прн длительности нарастания поля 10 с требует создания магнитных полей на уровне В,-1 Т,5 При ЙВЙС 10 Т/с величина напряженности электрического поля в остроугольной магнитной ловушке недостаточна для иониэации паров. ускоряющее напряжение с амплитудой 10-10 В и длительностью 1 О с, прикладываеиое к анод-катодному промежутку, включается в момент достижения магнитным полем максимального значения В -1 Т, когда плотность плазмы мак- О 11симальна (.10 м ), а средняя кратность иониэации ионов Е = 3-4, Прн этом на выходе ускоряющего промежутка формируется поток цонон с плот иостью тока 1 О -10 А/м и энергией1 МэВ/заряд. При ускоряющих напряжениях более 10 В и выбранных пааметрах ловушки (В "-" 1 Т, К =Э 10 м) це выполняется условие (2) ца эамаг нцченность электронов, и ускорение ионов станонится не эффективным. формула из обре тения301, Способ генерации пучка ионов, включающий создание плазмы н ускоряющем диодном зазоре с последующим приложением к нему импульса ускоряющего напряжения, о т л и ч а ю щ и йс я теи, что, с целью повьппения качества пучка путем увеличения плстности ионного тока и уменьшения энергетического и зарядового разброса ионов, а так-е расширения ди апаэона сорта ионов, плазму создают после заполнения ускоряющего диод- ного зазора газообразным рабочим веществом, воздействуя ца него быстронарастающим магнитным полем с геометрией типа остроугольной ловушки, аимпульс ускоряющего напряжения подают н момент достижения магнитным полем своего максимального значения,и при этом выполняются условияйВ/йЕ 3 1 О/Вгде дВ/Й " скорость нарастания магнитного полл (Т/с);К - средций радиус магнитнойловушки (и);В - максимальное значение магонитного пОля (Т) 1Ц, - амлт 1 туда имульса ускоряющего напряжения (В);ше/О, - отношение масс элек-. онаи цоца2, Способ пс и, 1, о т л и чю щ и й с я тем 1 что мишень, со,ержащую рабочее вещество в конденсированном состолции, облучают лазернымизлучением, ццтецсцнцость которогона поверхности мишени удовлетворяетусловиюА- С; /1 ОйЦ.: /аЕ 1111 РС; 1где А - атомный вес вещества,удельная теплота цспэрсция 1(Дж/и град);- плотность (кг/м );3Э - коэффициент электронной тепелопрсводцости вещества мишени (Дж/мыс град),- длительность лазерного импульса (с);ц - интенсивность излучения1507195 фон. Г Составитель В,Красиополъск ех Л.Олийнык Редактор Т,Юрчикова Т ред Корректор И. Ва Заказ 4338 Тираж 666 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ С113035, Иосква, Ж, Раувскаа иаб., д. 4/5 Ироизводственно-издательский комбинат фПатеит"г. Мкгород, ул. Гагарина, 1