Накопитель низкоэнергетичных тяжелых ионов

 

Использование: относится к ускорительной технике. Цель изобретения - получение интенсивных коротких сгустков многозарядных ионов. Сущность изобретения: накопитель содержит электромагнит с одной катушкой возбуждения постоянного тока, секторную магнитную структуру для удержания пучка ионов на дорожке, образованной внешним ярмом электромагнита, импульсную систему вывода частиц из накопителя, дуговой ионный источник открытого типа под положительным потенциалом относительно земли с вытягивающим электродом для извлечения ионов, генерируемых источником. 3 ил.

Изобретение относится к ускорительной технике, а именно к проблеме получения интенсивных сгустков тяжелых ионов с длительностью порядка микросекунд. Эта задача связана с трудностью, возникающей при заполнении накопительного кольца или синхротрона при инжекции пучков тяжелых ионов, когда требуется яркий источник ионов, высокая импульсная интенсивность пучка, поскольку эффективность инжекции существенно зависит от длительности сгустка ионов.

В ускорителях тяжелых ионов, например циклотронах, широко используется дуговой полный источник, позволяющий получать пучок высокой средней интенсивности (10¹³-10¹⁴ ч/с) многозарядных ионов (Z ≃ 8-10). Однако применение циклотрона в качестве инжектора накопителей тяжелых ионов с таким источником затруднительно из-за малоэффективного (10^-6) захвата частиц на центральную орбиту накопителя, так как интенсивность пучка составит 10⁷ - 10⁸ частиц в кольце (в случае однооборотной инжекции).

В качестве прототипа рассматривается небольшое накопительное кольцо с параметрами: R = 1,8 м, BR = 0,2 Тм, куда инжектируются ионы Н₂⁺, D₂⁺, Н^- с энергией 0,6 МэВ с помощью перезарядки частиц на газовом стриппере (С₇F₁₄). Период обращения ионов составляет ~ 0,3 мкс. Накопление тяжелых ионов в этой схеме практически невозможно из-за низкой эффективности перезарядки низкоэнергичных частиц на газовой мишени.

Целью изобретения является получение интенсивных коротких сгустков многозарядных ионов.

Цель достигается тем, что в известном накопителе ионов, содержащем электромагнит с одной катушкой возбуждения постоянного тока, установленной на центральном сердечнике, секторную магнитную структуру, образованную внешним ярмом электромагнита, и импульсную систему вывода частиц из накопителя, на центральной орбите дорожки накопителя установлен дуговой ионный источник открытого типа с осциллирующей дугой, состоящий из катода, располагаемого выше медианной плоскости (МП) накопителя, прямого либо косвенного накала, нагреваемого с помощью нити, и антикатода.

На фиг. 1 представлена схема накопителя; на фиг.2 - поперечное сечение электромагнита; на фиг.3 - источник ионов.

Накопитель содержит центральный сердечник 1 электромагнита, катушку 2 возбуждения, кольцевой полюс 3, секторные накладки 4, открытый дуговой ионный источник 5, катод 5₁, антикатод 5₂, конус-диафрагму 5₃, нить накала 5₄; вытягивающий электрод 6, импульсный дефлектор 7, фокусирующий канал 8, вакуумную камеру 9 накопителя.

Устройство работает следующим образом.

Электроны, эмиттируемые катодом, попадают в разряд через диафрагму 5₃ в верхней части камеры, служащей анодом, доходят до антикатода, находящегося под тем же потенциалом, возвращаются обратно, совершая колебания по оси разряда. В месте расположения диафрагмы или конуса осуществляется подача рабочего газа. Ионный источник 5 находится под положительным потенциалом V относительно земли. Образованные в разряде ионы с зарядом Z извлекаются из источника с помощью вытягивающего электрода 6 под потенциалом земли. Совершив оборот по дорожке накопителя, частицы при подходе к источнику теряют энергию, оказываясь в разряде, извлекаясь затем в последующий оборот. Если исключить возможные потери ионов пучка на перезарядку на газе камеры накопителя или в плазме дуги источника, на орбите будут накапливаться, удерживаться ионы, генерируемые непрерывно работающим ионным источником. Возможно накопление интенсивных пучков высокозарядных ионов, например с Z≥ 12, интенсивность которых обычно менее 1 мкА.

Предельное количество частиц пучка (N_пред), удерживаемых на дорожке накопителя, определяется кулоновским сдвигом частоты бетатронных (аксиальных) колебаний Δ ν до резонансного значения: N_пред= , где β, γ - относительные скорость и энергия частиц; r_o = 1,5 ˙10^-16 Z²/А_я - классический радиус иона (Z - заряд, А_я - масса); A = - адмиттанс накопителя, а - полуапертура камеры накопителя (аксиальная); R - радиус накопления; F ≥ 1 - фактор огибающей пучка (F ≃ 1). Рассматриваемая трехсекторная структура накопителя характеризуется следующими параметрами: уровень среднего магнитного поля = 3 кГс; B_∂ = 2 аГс; В_х = 4 кГс (поле в долине и холме соответственно); BR = 1,2 кгсм; частоты бетатронных колебаний ν_r = 1,06, ν_z = 0,33, флаттер магнитного поля F₁ = 0,11; угол спиральности α = 0; Δ ν = Δ ν_z = 0,17. Последнее определяет сдвиг частоты аксиальных колебаний до резонансного значения 2 ν_z= 1. Это линейный параметрический резонанс, усугубляемый при наличии первой гармоники магнитного поля h₁ и ее производной g₁ = dh₁/dr. Можно ожидать, что максимальный рост амплитуды вертикальных колебаний за оборот δ A_z = π Rg₁Z_o/ составит ~1 мм, что не описано при апертуре 2а ≃ 10 см. К примеру, для ионов с А_я = 80, Z = 8, извлекаемых из источника с потенциалом V = 70 кВ, предельное количество частиц составит более 10¹⁰ или ток пучка 1,0 мА. После завершения цикла накопления ионов, продолжительность которого выбирается в зависимости от эффективности получения в дуговом источнике иона данного элемента с требуемым зарядом (1-10 мс), включается импульсный дефлектор и пучок накопленных ионов в течение одного оборота (1-3 мкс) выводится с дорожки из камеры накопителя, фокусируясь в рассеянном магнитном поле с помощью электростатического либо магнитного накала в ионопровод для транспортировки и инжекции в постускоритель.

Формула изобретения

НАКОПИТЕЛЬ НИЗКОЭНЕРГЕТИЧНЫХ ТЯЖЕЛЫХ ИОНОВ, содержащий вакуумную камеру, расположенную в рабочем зазоре электромагнита с катушкой возбуждения постоянного тока, установленной на центральном сердечнике, секторную магнитную систему для удержания пучка на орбите накопителя, источник ионов и импульсную систему вывода частиц из накопителя, отличающийся тем, что, с целью повышения интенсивности пучков ионов, источник ионов выполнен дуговым, при этом в его аноде выполнено отверстие для прохождения пучков, расположенное в медианной плоскости магнита, катод и антикатод расположены по разные стороны медианной плоскости, а ионный источник снабжен вытягивающим электродом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3