Способ уменьшения фазового объема атомного пучка

 

О П И С А Н И Е <>774523

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВМДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Соииалистических

Респубдих (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 14.05.79 (21) 2765294/18-25 (51) М Irä 11 05 Н 7/10 с присоединением заявки— (23) Приоритет—

Государствеииый комитет

СССР по делам изобретений и открытий (43) Опубликовано 23.12.81. Бюллетень № 47 (53) УД1, (088,8) (45) Дата опубликования описания 23.12.81 (72) Авторы изобретения

В. Л. Варенцов и В. В. Ящук

Ленинградский кисти-,ут ядерной физики им. Б. П. Константинова (71) Заявитель (54) СПОСОБ УМЕНЬШЕНИЯ ФАЗОВОГО ОБЪЕМА

АТОМНОГО ПУЧКА

Изобретение относится к экспериментальной физике и может быть использовано при исследованиях на линейных и циклических ускорителях, ядерных реакторах, масспектрометрах, массепараторах и других физических приборах, которые применяются в экспериментах с пучками ионов и нейтральных атомов.

Точность, время проведения и зачастую даже возможность выполнения важных физических экспериментов во многом определяются качеством формирования используемых в этих экспериментах атомных пучков, т. е. их размерами, угловой расходимостью, монохром атичностью.

Вместе с тем существует целый ряд физических приборов и методов, для эффективной работы которых требуются пучки ионов и нейтральных атомов с как можно меньшей (тепловой) энергией. На практике в большинстве случаев пучки частиц имеют энергетический разброс, гораздо больший, чем тепловой. Замедление пучков ионов до тепловых энергий в электромагнитных полях связано со значительными потерями интенсивности первичных пучков, Замедлить пучки нейтральных атомов без потерь интенсивности известными способами невозможно.

Для описания движения пучка частиц обычно пользуются понятием шестимерного фазового пространства координат и импульсов (Q) . В этом пространстве пучок частиц занимает определенный фазовый объем где dp = dp, р, . dp,- — элементарные объемы в пространстве импульсов и координат соответственно.

Уменьшение фазового объема означает уменьшение размеров, энергстического и углового разбросов пучка частиц. Однако общий физический закон (так называемая

20 теорема Лиувилля) не позволяет это сделать с помощью любых заданных внешних сил. Зто значит, что невозможно уменьшить фазовый объем пучка частиц путем ускорения и фокусировки в любых не зави25 сящих от движения отдельных частиц электромагнитных полях. Уменьшения фазового объема пучка частиц можно достичь лишь при приложении к пучку диссипативных сил (например, сил трения), т. е. таких сил, чтобы характер их действия на от774523 т,. Ь V,, -

2

> т, Ы, -

2 дельную частицу пучка зависел от се индивидуального движения.

Таким образом, решение задач как формирования, так и замедления атомных пучков зависит от возможности уменьшения фазового объема пучков.

Важной характеристикой любого способа уменьшения фазового объема является время, в течение которого происходит это уменьшение, что осооенно существенно в экспериментах с пучками короткоживущих частиц.

Известен способ, так называемого, «стохастического» уменьшения фазового объема пучка ионов в циклических ускорителях (1).

Это достигается путем введения в цикл ускорения быстрой электронной обратной связи, за счет которой уменьшается поперечная составляющая фазового объема пучка ионов при неизменной продольной составляющей. Степень уменьшения фазового объема во многом определяется качеством сложной электронной схемы обратной связи.

Однако этот способ слоя.ен, может быть применен только для циклических ускорителей ионов и непригоден при работе с пучками нейтральных атомов.

Известен также способ уменьшения фазового объема пучков протонов за счет

«электронного охлаждения» (21. Энергетический разброс пучка протонов и его фазовый объем можно охарактеризовать эффективной температурой где m масса протона;

AV — разброс по скоросгям протонов в пучке.

Тогда пучок можно рассматривать как движущийся «протонный газ» с температурой Т . Уменьшение фазового объема пучка протонов способом «электронного охлаждения» осуществляется путем введения параллельно протонному пучку пучка электронов с той же скоростью, но с гораздо меньшим энергетическим разбросом.

Это означает, что температура движущегося «электронного газа» равна где т, — масса электрона;

AV, — разброс электронов по скоростям.

Таким образом Т, с T При взаимодействии протонов с электронами происходит выравнивание температур обоих газов и, следовательно, охлаждение протонного пучка, что уменьшает фазовый объем пччка IIDoTOHoB.

l0

Роль диссипативных снл трения здесь играет кулоновское взаимодействие протонов и электронов. Температура «электронного газа» равна 0/2ХВ, что соответствует тепловому разбросу при 2300 К. Это обстоятельство, а также трудности формирования электронных пучков большой плотности с энергиями до сотен электроновольт (что соответствует энергии ионов до десятков МэВ) из-за кулоновского расталкивания делают невозможным применение данного способа в области низких энергий ионных пучков.

Использование этого способа для уменьшения фазового объема пучка тяжелых ионов затрудняется также ионэлекrðîííîé рекомбинацией, приводящей к потере интенсивности ионного пучка. Для исключения этого вместо электронов используют

«холодный» протонный пучок, получение которого сопряжено с большими техншiескими трудностями.

Кроме того, способ «электронного охлаждения» реализован только для пучков в циклических ускорителях, он непригоден для уменьшения фазового объе»а пучков нейтральных атомов, а замедление пучка ионов этим способом до тепловых энергий принципиально невозможно.

Наиболее близким техпи еским решением к изобретению является способ уменьшения фазового onúå Iа атомного пучка, используемый на ISOLA в ЦЕРНе (31. Уменьшение фазового объема по этому способу достигается путем прило,;ения к пучку. атомов диссипативных сил трения за счет атом-атомных столкновений частиц пучка с атомами твердой фольги, приводящих к замедлению и охлаждению пучка.

При замедлении в твердом веществе частицы пучка внедряются в него. Для осуществления эффективной диффузии частиц пучка к поверхности фольги и испарения с нее, фольгу разогревают до высокой температуры (около 2000 К). Время на диффузии атомов пучка до их испарения из фольги составляют от 100 мс до десятков секунд.

Недостатком этого способа является ограниченность области его применения. Так, способ может быть применен только с такими ионными пучками, для которых первые потенциалы ионизации атомов меньше

7 эВ. Доля таких атомов составляет лишь небольшую часть от всех атомов, ионные пучки которых нужны для физических исследований. Это связано с тем, что эффективно поверхностная ионизация происходит лишь в том случае, когда потенциал ионизации испаряющихся атомов меньше работы выхода электрона из вещества фольги.

Но даже при выполнении этого условия максимум 60 — 80% атомов испаряются в ионизованном состоянии. Кроме того, из-за равновероятности направлений диффузии из фольги и в фольгу меньше 50% атомов

774523

Окажутся i повсрхно "ти;; 1!Сия я- "; 32 вре.,,я порядка 100 мс. Таки.! Образом, интенсивность вторичного атомпого пу ка cocT2BлЯет B JI r<: 3civI случае 3!--40,,, 0Т тенсивпости исходного пучка атомоз. Значительное время диффузии ограничивает использование способа для пучков короткоживущих атомов с временем жизни меньшим 100 мс. Немопохрома-.ичность пo энергии получаемого пучка определяется тепловым разбросом при температуре порядка 2000 (. Угловой разбрcñ при э-.ом составляет 90, т. е. Во все полупространство перед фольгой.

Целью 1300pelei является повыц:ение эффективности и ускорение процесса уменьшения фа=.îâîãî обьема пучка.

Ук232нная цель достиГ2ется Teil, «TO по предложенному способу уменьшеш{я фазового объема атомного пучка, заключающемуся в его замедлении и охлаждении за с !ст атом-атомных столкновений, пу IOK вводят в сверхзвуковую струю газа. Для умсньп:ения энергии, углового и энергетического разбросов атомного пучка газ сверх3вукОВОИ cTp",è прсдВ2рl!тслъно Охла>кдают.

На чертеже представлена схема устройстВ2, Рс2л ИЗУ{ощеГО пРсд;1 Я Гас: ы !{ cIIOco6.

Устройс" во состоит из акс!!аль:{о CII lмстричного сверхзвукового сопла Лаваля

1, камеры смешения 2, входного канала 3, сужающегося сопла 4 и отводного «стакана» 5.

Выходящая пз радиального сопля 1 сверхзвуковая струя газа, например Не, заполняет камеру смешения 2. Пучок атомов вводят через канал 3 в ооласть, занятуio сверхззуковой струей. 1аст{!цы пучка за счет столкновений с атомами газовой струи теряют свою энергию и замедляются д0 скорости, соответствующей скорости распространения сверхзвуковой струи. Одновременно происходит охлаждение пу««a;ln темпсратуры газа струи. Замсдленныс атомы пучка подхватываются струей газа и вместе с ней поступают в сопло 4, где происходит замедление сверхзвуковой струи и, следовательно, атомов пучка за счет сужающегося профиля сопла. Выходящий в вакуум из сопла 4 поток газа расширяется. Причем угловой разброс частиц 1232 olipc;icляется только массой частиц и тепловыми флуктуациями скорости относительно поступательного движе!{ия истс:!ения газа в вакуум.

С помощью сужающегося сопла пучок вместе со сверхзвуковой струей сжимают и, следовательно, добиваются дополнительного уменьшения фазового объема.

При определенном в, .Oдном сечении сужающегося сопла и пропускап!!» через него всего газа, выходящего из сверхзвукового сопла Лаваля, происходит «запирание» сужающегося сопла избыточным количеством газа. При этом система выходит

{0

25 зо

4О

55 из сВ рхзВукОВОГО рсжим2. В э.см сл { .ае п-. !срсчное сечение сужающегося сопла дс,12:.0Т Мсllbiilc ПОПЕРСЧИО. О ССЧСНИЯ СВЕ )Хзвуковой струи и таким образом осуществляют отвод избытка газа. В устройстве, представленном на чертеже, отвод делают через пространство между «стаканом» 5 и внешней поверхностью сужающегося сопла 4. ,„!ля отделения Основного количества га3а сверхзвуковой струи от пучка атомов применяют различные системы отсекателсй, ITo оказывается возможным из-за разности

В угловых распределениях для струи газа и атомов пучка, во-первых, и из-за разности в атомных весах для газа струи и частиц гучка, во-вторых. В первом случае такие отсекатсли выполняют в Виде диафрагм, вовтором — в виде поперечной струи газа. спользование сверхзвуковой струи га32 в качестве носителя диссипативных сил

-.рс,!Ия определяется следующими основными пр!!чинами. Изменяя давление газа на входе в сопло Лаваля, подбирают оптим яльную плотность газа сверхзвуковой

С i РУИ ДЛЯ ЭффСКТИВНОГО 32МЕДЛСlllii{, ЧСГО

1;сльзя добиться, используя извсстпыс фольги. 11спо31>з> я сверхзвуковую струю газа, поддерживают на входе в устройство достато !и !!i вакуум, при котором пучок не размывается до попадания в струю. Это происходит из-за резкой границы между вакуумом и сверхзвуковой струей. Замедляя пучок в направленно движущемся газе, сокращаlот Время, 32 KQTopoc, мснlэ{1!астся фазовый объем пучка до 1 10 с. Это гремя определяется длиной используемого ус.{ po!;CTBa и скоростью звука для газа

cHcI). (3I3 KoBoA cTP! lI. KPoilc того,,l lil{liмально возможный энергетический разброс пучка на выходе используемого устройства сире;{елястся темпсратуро!! конденсации га32 сВср. звуковой струн, Эта темпсратура в общем случае намного меншпc температуры фольги, необходимой для эффективного испарсния атомов по способу, используемому на ISOLDE в ЦЕРН. Поэтому целесообразно выбирать газ с низкой тсмпсрятурой

K0i{дснсации, например Не, охлаждая его

;i0 температуры жидкого азота (Т-80 I() .

П1)и i . !Icllbllicilli!i TcbiIIlcpaTI pbi Г232 СВ p.( звуковой струи происходит уменьшение энергии и углового разброса атомного пучка на выходе устройства.

Для работы с ионными пучками исполь3;!0Т сверхзвуковые струи таких газов, потсш!Иал ионпзации которых больше той же

Вс,-;и:ины для атомов пучка. При этом отсутствуют потери интенсивности ионного пучка из-за нсйтрализаци:: «ри перезарядке IIGIIQB пучка на нейтральных атомах газа. Таким образом, предлагаемый способ приме{{им практически для пучков любых ионов.

774523

Формула изобретения

Составитель Л. Икоев

Редактор Л. Утехина

Техред Л. Куклина

Корректор С. Файн

Заказ 1627 1233 11зл. № 602 Тираж 880 1оди !ñ1ioQ

НПО «Поиск» Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Тип. Харьк, фил. пред. «Патент»

Для обеспечения работы способа с пучками нейтральных атомов используют сверхзвуковые струи таких газов, при взаимодействии которых с пучками нейтральных атомов в атом-атомных столкновениях не происходит образования ионов в пучках нейтральных атомов. Таким образом, при правильном выборе газа сверхзвуковой струи предлагаемый способ уменьшения фазовых объемов пучков позволяет формировать пучки ионов и нейтральных атомов тепловых энергий с разбросами по энергии, соответствующими температуре газа сверхзвуковой струи, практически без потерь интенсивностей исходных пучков.

1. Способ уменьшения фазового объема атомного пучка, заключающийся в замедлении и охлаждении пучка за счет атоматомных столкновений, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности способа и ускорения процесса, атомный пу5 чок вводят в сверхзвуковую струю газа.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что, с целью уменьшения энергии, углового и энергетического разбросов атомного пучка, газ сверхзвуковой струи предварительно охлаждают.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1. Р. Bramham at all Nucl Instr. and

15 МеШ, 1975, 125, с. 201.

2. Будкер Г. И., Скринский А. М. УФН, 124, вып. 4, 1978, с. 561.

3. 3"" Internahional Conf on Auclei Fer

From Stability, Genexа, 1976, р 93 (про20 тотип) .