Ионный источник

 

Изобретение относится к ионным источникам для циклотронов (внутренним, закрытого типа) и может использоваться в циклотронной технике. Для многократного уменьшения величины газового потока из источника в циклотронный высокий вакуум вытягивающий электрод источника выполнен таким, что становится возможным встроить между разрядной камерой (анодом) с выходящим из нее газом и областью вакуума циклотрона ступень дифференциальной откачки. Технический результат - снижение потерь ионных пучков. 2 ил.

Изобретение относится к циклотронам, конкретно к ионным источникам для циклотронов, и может быть использовано в циклотронной технике.

Известен ионный источник для циклотрона, внутренний, закрытого типа, применяемый, в различных своих модификациях, для получения в циклотронах легких положительных ионов [1], многозарядных ионов [2], отрицательных ионов водорода и дейтерия [3].

Источник содержит замкнутую газоразрядную камеру (анод) цилиндрической формы, которая крепится на специальном штоке, может вводиться в центр циклотрона вертикально или радиально и которая располагается в центральной области осью параллельно магнитному полю циклотрона. Внутри анода располагается пара катодов, и при подаче напряжения в нем зажигается газовый разряд, горящий вдоль силовых линий магнитного поля циклотрона. Рабочий газ для питания разряда подается по трубке внутрь анода; ионы вытягиваются через небольшое отверстие в аноде с помощью вытягивающего электрода. Вытягивающий электрод, на который относительно анода подается напряжение в несколько десятков киловольт, представляет собой металлическую пластину (пару пластин), в которой имеется отверстие (щель) для прохождения вытянутых ионов и которая располагается напротив отверстия в аноде на расстоянии нескольких миллиметров.

Описанная конструкция имеет тот недостаток, что рабочий газ, через отверстие в аноде для выхода ионов, свободно вытекает в камеру циклотрона, в область циклотронного высокого вакуума. Как правило, этот газовый поток на порядок превышает все другие виды газонатекания и является основной газовой нагрузкой для вакуумных насосов циклотрона, определяющей их мощность и стоимость. Ускорение ряда ионов (например, ионов H^-) требует особенно хороших вакуумных условий, получение которых при использовании источника в его традиционной конструкции требует больших затрат на средства откачки. Недостаточно высокий уровень вакуума при ускорении подобных ионов приводит к потерям пучка из-за развала ионов на остаточном газе и к активации ускорителя.

Целью заявляемого изобретения (не имеющего близкого аналога) является внутренний ионный источник закрытого типа с пренебрежимо малым натеканием рабочего газа в вакуум циклотрона, применение которого делает возможным использование в ряде циклотронов, в качестве основного откачного средства, вакуумных насосов значительно меньшей производительности и стоимости, чем традиционно применяемые. Способ, которым эта цель достигается, никак не затрагивает условий горения разряда в ионном источнике и, следовательно, не влияет на интенсивность извлекаемого ионного пучка.

Цель достигается тем, что вытягивающий электрод источника так видоизменен, что становится возможным встроить между разрядной камерой (анодом) с выходящим из нее газом и областью высокого вакуума камеры циклотрона ступень дифференциальной откачки. Именно, вытягивающий электрод выполнен в виде заключающего внутри себя анод сосуда, открытый конец которого соединен (через переходник или непосредственно) с входным фланцем небольшого вакуумного насоса, а в боковой стенке которого, для прохождения ионов проделан сквозной узкий длинный канал. Для обеспечения беспрепятственного прохождения ионого пучка канал сделан изогнутым в форме дуги окружности, а величина вытягивающего напряжения такова, что радиус этой окружности равен ларморовскому радиусу траектории вытянутых ионов, движущихся в канале под действием магнитного поля циклотрона (электрическое поле в канале отсутствует). Шток, на котором фиксируется камера анода, отделен от металлических стенок вытягивающего электрода (сосуда) вакуумплотным соединением, поэтому анод находится в замкнутом объеме, изолированном от области циклотронного высокого вакуума всюду, за исключением канала, в вытягивающем электроде. При работе устройства, газ, выходящий из разрядной камеры, в основной своей массе откачивается подсоединенным насосом но методу дифференциальной откачки, и лишь небольшая его часть попадает в циклотронный вакуум через изогнутый канал; ионы, вытянутые из разряда, ускоренные в промежутке между анодом и вытягивающим электродом, входят в изогнутый канал, проходят всю его длину, не теряясь на его стенках, и далее захватываются в ускорение. Таким образом, газовый поток "отсекается" от области высокого вакуума, но это отсечение не затрагивает ионного пучка.

Дифференциальная откачка газа из ионного источника происходит при низком вакууме, сравнительно с рабочим вакуумом циклотрона, и для ее успешного осуществления достаточно (это показано ниже) небольшого насоса производительностью ~100 л/с в области давлений ~10^-3 мбар. При использовании внутреннего ионного источника в его традиционной конструкции, для компенсации ухудшения вакуума из-за "гажения" источника требуются, в зависимости от сорта ускоряемых ионов, их конечной энергии, интенсивности пучка, высоковакуумные насосы производительностью от десятков до сотен тысяч л/с.

Один из возможных вариантов реализаций изобретения, для источника с вертикальным вводом, для геометрии циклотрона, с одним 180-градусным дуантом, показан на фиг. 1, 2. На фиг. 1 показало сечение устройства медианной плоскостью циклотрона, на фиг. 2 - сечение вертикальной плоскостью А-А по фиг. 1.

В источнике, изображенном на фиг. 1, 2, традиционный вытягивающий электрод отсутствует. Вместо него, анод (1) окружен новым вытягивающим электродом (2) в виде сосуда (или оболочки), с которым он имеет вакуумплотный, электрически не проводящий контакт через резиновое кольцо (3); вытягивающий электрод (2) через короткий широкий переходник (4) вакуумплотно соединен с насосом (5), расположенным в вакуумной камере циклотрона. Для прохождения вытянутого из разряда пучка ионов (6), в вытягивающем электроде проделан узкий канал (7), изогнутый в форме полуокружности; вход в канал расположен напротив выходного отверстия в аноде, подобен ему по форме и несколько больше его по размерам. Далее на фиг. 1, 2: (8) - траектория пучка, (9) - газовый поток из разрядной камеры источника, (10) - дуант с перемычкой для экранировки пучка.

При работе устройства вытягивающий электрод (2) находится под потенциалом антидуанта (заземлен). Между анодом ионного источника и вытягивающим электродом прикладывается напряжение, достаточное для вытягивания ионов и необходимое, чтобы согласовать кривизну траектории вытянутого пучка с кривизной канала (7); ионы, выйдя из разряда и ускорившись в вытягивающем промежутке, входят в канал, двигаются по окружности, не задевая стенок канала, и, выйдя из канала в ускоряющий промежуток, захватываются в ускорение. Поток рабочего газа (9), выходящий из разрядной камеры источника, частично попадает в высокий вакуум циклотрона через канал (7), но в основной своей массе откачивается насосом (5).

Чертеж источника выполнен в масштабе 1:1 и соответствует одной из оптимизаций для следующих конкретных условий: сорт ионов - H^-, магнитное поле в центре В= 15 кГс, напряжение на дуанте (10) U=100 кВ, выходная щель в аноде источника - 1х6 мм². При этом поперечное сечение изогнутого канала выбрано - 3х8 мм², его длина - L = 62 мм. Для согласования кривизны траектории пучка с кривизной канала вытягивающее напряжение должно быть приложено: U =(q/2m) • (LB/ π )² = 29 кВ, (1) где q - заряд, m - масса H^- иона.

Наглядно очевидно то, что газовая проводимость промежутка: вход в канал (7) - вход в насос (5) значительно выше проводимости канала (7): длины промежутка и канала примерно равны, средний поперечный размер промежутка не менее чем десятикратно превосходит поперечный размер канала. Газовая проводимость трубопроводов при молекулярном режиме течения газа пропорциональна кубу среднего поперечного размера [4], поэтому имеет место хорошая дифференциальная откачка газового потока насосом (5).

Типичные рабочие давления в H^- источниках ~10^-2 мбар, газовые потоки из источников при этих давлениях ~10 см³ атм/мин. В предположении, что насос (5) обеспечивает на входе в канал (7) давление - 10^-3 мбар, сделана оценка потока в вакуум циклотрона по формуле: газовый поток = (проводимость) • (разность давлений).

Рассмотрен канал круглого поперечного сечения площади, равной площади сечения канала (7). Проводимость канала при молекулярном режиме течения газа [4]: k=38.1 • (T/M)^1/2 • d³/L = 7.5 • 10⁴ см³/мин. (2) Давление в области высокого вакуума можно принять равным нулю, поэтому: газовый поток = 7.5 • 10⁴ см/мин³ • 10^-6 атм = 7.5 • 10^-2 см³атм/мин, (3) - то есть, достигается более чем двухсоткратное уменьшение газонатекания из ионного источника в циклотронный вакуум. В использованной выше формуле для проводимости: T = 300 - температура (К), М = 2 - молекулярная масса водорода, d = 5.5 • 10^-3, L = 62 • 10^-3, - соответственно, диаметр и длина канала (м).

Для поддержания на входе в насос (5) давления 10^-3 мбар при газонатекании 10 см³ атм/мин требуется насос с производительностью 166 л/с. Используется насос, работающий по одному из известных принципов откачки, но его конструкция приспособлена к условиям задачи. Такое приспосабливание не является слишком сложным, так как требуемый насос - насос небольшой производительности в области низкого вакуума. В рассматриваемом конкретном варианте насос расположен в вакуумной камере циклотрона, что ограничивает его вертикальный размер, - естественно скомпенсировать это ограничение увеличением его горизонтальных размеров.

Для оценки эффективности прохождения пучка через изогнутый канал проведено сравнение эмиттанса пучка с аксептансом канала. Аксептанс канала (7) определяется в основном его горизонтальным аксептансом, как соответствующим наименьшему поперечному размеру канала. Для рассматриваемых размеров канала и для вытягивающего напряжения 29 кВ, аксептанс, вычисленный в линейном приближении, в переменных координата - угол равен: A ≈ 110 π мм мрад. (4) Типичные приведенные эмиттансы пучков из внутренних H^- источников -E_N= 1-10 π мм мрад, что для эмиттансов дает:
E = E_N|(βγ) ≈ 12-120πмм мрад. (5)
(β,γ-релятивистские факторы). Следовательно: E ≤ A и, следовательно, возможна проводка пучка через узкий изогнутый канал (7) без значительных потерь, даже при весьма малой ширине канала - 3 мм.

Возможность выбора размеров и формы вытягивающего электрода такими, чтобы пучок мог обойти источник на первом обороте, следует из фиг. 1, где штрихпунктиром (8) обозначена траектория пучка. Как можно видеть: при напряжении на дуанте 100 кВ, при выбранных размерах и форме вытягивающего электрода, ионный источник обходится пучком.

Заявляемое устройство может быть использовано: а) для применения в ряде циклотронов в качестве основного откачного средства вакуумных насосов значительно менее производительных и, следовательно, менее дорогостоящих, чем традиционно применяемые, б) для снижения, за счет улучшения уровня вакуума, потерь ионных пучков из-за развала ионов на остаточном газе и снижения наведенной этими потерями активации циклотронов, в) для увеличения интенсивности пучков из внутренних источников некоторых ионов за счет перевода их в режимы работы при больших давлениях и при больших размерах выходных щелей, г) для более широкого применения в циклотронах, наряду с внешней инжекцией, внутренних ионных источников там, где это может быть экономически или с научной точки зрения целесообразным.

Источники информации
1. D. G. Clark and P.S. Rogers, // Nncl. Instr. Meth., v. 30 (1964), p. 138.

2. Веников Н.И. и др. Авторское свидетельство СССР N 197786, Бюлл. ОИПОТЗ N 13, 1967, с. 81.

3. K.W. Ehlers, // Nucl. Instr. Meth., v. 32 (1965), p. 309.

4. Л.Н. Розанов. Вакуумная техника, Москва, "Высшая Школа", с. 40.

Формула изобретения

Ионный источник для циклотрона, внутренний, закрытого типа, включающий в себя анод (разрядную камеру) с проделанным в нем отверстием для выхода ионов, вытягивающий электрод для вытягивания ионов из разряда через отверстие в аноде, отличающийся тем, что, с целью улучшения вакуума циклотрона, снижения мощности и стоимости его вакуумной системы за счет снижения потока рабочего газа из ионного источника в циклотронный вакуум, вытягивающий электрод выполнен в виде заключающего внутри себя анод сосуда, открытый конец которого соединен с входным фланцем вакуумного насоса, осуществляющего дифференциальную откачку газа, выходящего из разрядной камеры, в боковой стенке которого проделан сквозной узкий канал, изогнутый в форме дуги окружности радиуса, равного ларморовскому радиусу траектории вытянутых ионов, служащий для обеспечения беспрепятственного прохождения ионного пучка через вытягивающий электрод.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2