Способ генерации пучка ионов

 

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при разработке сильноточных импульсных ускорителей тяжелых ионов, необходимых для проведения исследований в области термоядерного си1:теза. Цель изобретения - повьппение качества пучка - достигается пу7ем увеличения плотности ионного тока и уменьшения энергетического и зарядового разброса ионов, л также расширение диапазона сортов ионов. Дпя генерации сильноточньпс пучков ионов газообразных веществ ра 1очий газ, например азот, аргон, ксенон, с помощью импульсного натекателя 1 через трубчат1.|й анод 2 подастся в ускоря- 10ЩИЙ диодный зазор между анодом 2 и иипиндрически катодом 3, размещенными в вакуумной камере 4. В камере магнитными катуикагга 5 создается нарастающее поле с магнитными гиловыми линиями 6. Ионизация газа в ус(соряюп1ем промежутке осуществляется под поздействием вихревого магнитного поля, создаваемого катутпками 5. Образовавшийся при зтом сгусток плаььгь является источником пучка ионов. Образующиеся пары рабочего вещества I1 заполняют промежуток между анодом 2 и катодом 3. 1 3.п. ф-лы, 2 ил, а 9 (Л СП о si со ел (pttil

СОЮЗ СООЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСГ1УБЛИН (51)5 Н 05 Н 5/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

Il0 ИЗОБРЕТЕНИЯМ И 0ТНРЫТИЯМ

1 1РИ ГКНТ СССР

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (46) 07. 12.90. Бюл. И 45 (21) 4375975/24-21 (22) 27,!1.87 (72) Я.Ф.Волков, В. Г.Дятлов, В,А.Кияшко, Е.А.Корнилов и Н.И.Интимна (53) 621 ° 384.6(088).8) (56) Князев Б. А., Лебедев С. В., Меклер К.И. Получение облака плазмы с заданным составои элементов вблизи поверхности в вакууме. ЖТФ, 1986, т, 56, в. 7, с, )319-1327, Барабаш Л.3,, Быковский Ю.А., Кречет К.И., Хайдаров P.Ò., 111 чалму. ров A.Â., Ларков Б.Ю. Формирование интенсивного пучка тяжелых ионов иэ лазерной плазмы. Препринт ИТЭР 86-146, ЦНИИатоиинфори, 1986, с. 28, (54) СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ПУЧКА ИОНОВ (57) Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при разработке сильноточных импульсных ускорителей тяжелых ионов, необходимых для проведения исследований в области териоядерного синтеза. Цель изобретения - повышение ка„.SU 1507195 А 1

2 честна 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 газообразных веществ рабочий газ, например азот, аргон, ксенон, с помощью импульсного натекателя 1 через трубчатый анод 2 подается в ускоряющий днодный зазор между анодом 2 н цнпиндрпчески.. катодом 3, размещенными в вакуумной камере 4. И камере магнитными катушка ти 5 создается на растающее маги .тное поле с магнитными силовыми линияии 6. Ионизация газа в ускоряющем промежутке осуществляется под -воздействием вихревого магнитного поля, созданаеиого катушками 5, Образовавшийся при этом сгусток пла -.мы является источником пучка ионов, Образующиеся пары рабочего вещества 11 заполняют промежуток между анодом 2 и катодом 3. з,п. ф-лы, 2 ил.

3 15071 95

Изобретение относится к ускори.тельной технике и может быть использовано при разработке сильноточных импульсных ускорителей тяжелых ионов, необходимых для. проведения исследований в области управляемого термоядерного синтеза, Целью изобретения является повышение качества пучка путем увеличе- 10 ния плотности ионного тока и умень- шения энергетического и зарядового разброса ионов, а также расширение диапазона сорта ионов.

Согласно данному способу плазму 15 создают после заполнения ускоряющего диодного зазора газообразным рабочим веществом, воздействуя на него бы— стронарастающим магнитным полем с геометрией типа остроугольной ловуш- 20 ки и скоростью нарастания (dB/dt),. соответствующей условию

dB/dt 3 10 /R (1)

rpe R (M) — средний радиус магнитной

ЛОВУШКИ1 при этом импульс ускоряющего напряжения подают в момент достижения магнитным полем своего максимального значения В,(Т), а амплитуда U (В) им- 30 пульса ускоряющего напряжения удовлет. воряет соотношению

m /P (U /10 ° В ° R 0,001, (2) где m8/p — отношение месс электрона 35 и иона соответственно.

Для получения паров рабочего вещества из мишени, содержащей рабочее вещество в конденсированном состоянии, ее облучают лазерным излучением, 40 интенсивность ко орого на поверхнос ти мишени q (Вт/м ) устанавливают в соответствии с соотношением

%ABC,/10R» q ) /1P l/Sp C;, (3)

45 где А — атомный вес; A — - удельная теплота испарения, Дж/кг;

К-8,3 Дж/град моль - универсальная газовая постоянная; 50

Э

С вЂ” ионная теплоемкость, Дж/м.град

3, - плотность, кг/м

30 — коэффициент электронной теплопроводности вещества мишени, Дж/м ° с оград; 55

t - длительность лазерного импульса, с.

Благодаря тому, что скорость нарастания остроугольного магнитноro по4

I ля, 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 поли 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-1÷åì газе и его эффективная ионизация с образованием плотной плазмы, ио»ы которой имеют лекую среднюю кратность ионизации 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.;с2 выгорают" за время нарастания магнитного поля, а ионы с 7.;>2с11 практически не образуются, поскольку энергия электронов плазмы, обусловленная скоростью нарастания магнитного поля, недостаточно высока для этого.

Эффективное ускорение ионов плазмы в поперечном магHHTHoM поле в ускоряющем зазоре обеспечивается при условии, когда ларморовский радиус электронов 1ного меньше, а ларморовский ради с ионов больше размеров этого заэо;-: . Это достигается в 11оедлагаемом способе за счет создания в диодном зазоре остроугольной магнитной лов)".p ;:. -. параметрами, удовлетворяющими условиям (1, 2). Благодарю

150719 тому, что ускорение ионов при этом происходит в кназинейтральной плазме в момент достижения магнитным полем своего максимального значения снима5 ется ограничение на величину тока ускоренных ионов объемным зарядом, что позволяет увеличить плотность ионного тока на 3-4 порядка по сравнению с прототипом. 10

Таким образом, при воздействии на газообразное рабочее вещество быстронарастающего магнитного поля остроугольной геометрии по данному способу г ускоряющем зазоре создается 1б плазма с заданными параметрами и обеспечиваются необходимые условия для генерации сильното!ных ионных пучков„

В качестве газообразного рабочего вещества по предлагаемому способу мо - 20 гут быть использованы различные газы, напускаемые импульсным натекателем в диодный проме !уток, либо пары различных веществ. содержащихся в конденсированном состоянии на поверх- ?5 ности мишени, облучаемой импульсным лазерным излучением. Для обеспечения требуемого режима испарения интенсив!!ость лазерного излучения и (Вт/!л ) должна удовлетворять соотношению (э), Практическая реализацич способа поясняется схемами иа фиг ° I и 2.

Для генерации сильноточных пучков ионов газообразных веществ рабочий газ (например, азот, аргон, ксенон) с помощью импульсного натекателя I (фиг ° 1) через полый трубчатый анод

2 подается в ускоряющий диодный зазор между анодом 2 и полым цилиндри- 1!1 ческим катодом 3, размещенными н вакуумной камере 4, где с помощью магнитных катушек 5 со дается быстронарастающее магнитное поле типа остроугольной магнитнofl JloB KH с магнит 45 ными силовыми линиями 6. Ионизация гпэа в ускоряющем промежутке осуществляется под де

2 и катодом 3 от генератора 7 подается импульс ускоряющего напряжения с, амплитудой 1!, и длительностью с С

5 8 где Дй - время нарастания магнитного поля, При начальной концентрации ра/ бочего газа в !скоряющем зазоре на уровне 10 -10 м, а средняя кратность

nl М -з ионизации ионов Z,I! 3-4. В этом слу" чае для генерации ионных пучков с

6 7 и плотностью тока 10 -10 А/м ускоряющее напряжение Ug долэкно иметь величину 10 -10 В при длительности им5 6

-6 пульса IO с.максимальном значении

В - IТ и времени нарастания поля

Дг = 10 с концентрация плазмы достигает величины, большей или равной

1 0 2!э - 3

Для расширения диапазона сортов ускоренных ионов плазму создают иэ паров рабочего вещества, содержащегося в конденсированном состоянии на поверхности мишени, облучая ее лазерным излучением с интенсивностью в соответствии с условиями (3). Для этого излучение от лазера 8 (фиг.2) с помощью линзы 9 фокусируют va мишень 10, размещенную в вакуумной камере 4. Образующиеся при этом пары рабочего вещества 11 заполняют ускоряющий промежуток между анодом 2 и катодом 3, где с по!.!!эщью импульсных магнитных катушек 5 созд-!ат я быстронарястающее и"-нитное и ле остроуголь. ной геометрии, Ионизация паров r. ускоряющем промежутке осуществляется под действием вихревого зн .ктрического поля! вс зникающего при изменении магт!иrн!эгo потока остроугольной ловушки с 1!а !,итными силовыми линиями

6, Образ!эгаэщаяся плазма является источником пучка ионов, формируемых при приложении импульса ускоряющего напряжения от генеря гора i, Для форин эовяния интенсивных пучков тяжелых ионов (А 200) с плотностью тока

6 7

10 -10 А/и необходимо в ускоряющем промежутке создать плазму с плг тно26

"тью ) 0 м что достигается н данном способе пр!л плс>тн!эсти паров в остроугольной магнитной ловушке на по уровне I G м . Требуемая плотность паров обеспечивается при облучении свинцовой мишени лазер!!!-!м иэлу;епием !! 2. с интенсивностью 1О BT/è и длительностью импульса 0,5-1 мкс. При ! а

q c IG -10 Вт/м испарения нет, а

Vl 1 при г1 1О Вт/м происходит лазерный пробой с обраэоэо!!а!!ием лазерной плазмы, Для эффективной ионизации паров скорость нарастания магнитного поля в остроугольной логушке долж1507195 на быть яе менее 10 Т/с (см, формулу (1)1 при среднем радиусе ловушки

3 ° 1(Г» м, что прн длительности нарастания поля 10 с требует создания магнитных полей на уровне В,-l Т, 5

Прн dB/dt a 10 Т/с величина напряженности электрического поля в остроугольной магнитной ловушке недостаточна для иониэации паров, Ускоряющее напряжение с амплитудой 10 -10 В и длительностью 10 с, прикладываемое к анод-катодному промежутку, включается в момент достижения магнитным полем максимального значения

В -1 Т, когда плотность плазмы мако

»О -Ъ симальна (10 м ), а средняя кратность нониэации ионов Z = 3-4, Прн этом на выходе ускоряющего промежутка формируется поток ионов с плот- 20 ностью тока 10 -10 А/м и энергией я.

1 МэВ/заряд. При ускоряющих напряжениях более 10 В и выбранных пара7 метрах ловушки (В I Т, К =Э ° IO м) не выполняется условие (2) на эамаг- 25 нпченность электронов, и ускорение ионов становится не эффективным.

Формула из обре тения

1. Способ генерации пучка ионов, включающий создание плазмы в ускоряющем диодном зазоре с последующим приложением к нему импульса ускоряющего напряжения, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повьппения качества пучка путем увеличения плстности ионного тока и уменьшения энергетического и зарядового разброса ионов, а так-е расширения ди- 40 апаэона сорта ионов, плазму создают после заполнения ускоряющего диодного зазора газообразным рабочим веществом, воздействуя на него быстронарастающим магнитным полем с геометрией типа остроугольной ловушки, а импульс ускоряющего напряжения подают в момент достижения магнитным полем своего максимального значения, и при этом выполняются условия

dB/dt 3 10 /Ro3 где dB/dt - скорость нарастания магнитного полл (Т/с);

К о — средний радиус магнитной ловушки (и);

 — максимальное значение маго нптпОГО полЯ (Т) 1

13, — амплитуда импульса ускоряющего напряжения (В); ше/$t; — отношение масс элек-.рона и поня .

2,Способпси,1,отлич ю шийся тем, что мишень, coJ,ержащую рабочее вещество в конденсированном состоянии, облучают лазерным излучением, интенсивность которого на поверхности мишени удовлетворяет условию г1, A 0. /10Р q fg /gg с1,7i pgj, . где A — ато.шый вес вещества, удельная теплота испар;..ния, (Дж/к г);

R — универсальная газовая пьстоянная, равная 8, 3 Дж/град мс чь1

С вЂ” ионная теплоемкость

1 (Дж/м град); — плотность (кг/м );

Э вЂ” коэффициент электронной тепе лопрсводности вещества мишени (Дж/м ° с ° град); — длительность лазерного импульса (с);

q — интенсивность излучения (Вт/м ), 1507195

Составитель В.Краснопольский

Редактор Т,Юрчикова Техред Л.Олийнык Корректор И. Васильева

Заказ 4338 Тираж 666 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Иосква, Ж-35, Рауискал иаб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент" ° г. загород, ул. Гагарина, 101