СПОСОБ КОЛЛЕКТИВНОГО УСКОРЕНИЯ ИОНОВ Российский патент 2001 года по МПК H05H5/00 

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использован при создании сильноточных импульсных источников ускоренных положительных ионов с импульсами наносекундной длительности.

Для получения сильноточных пучков ускоренных ионов чаще всего используют способы коллективного ускорения, заключающиеся в том, что ускоряют сильноточный пучок электронов, поле пространственного заряда которого захватывает в ускоряющее движение и положительные ионы. Эти способы основаны на том, что масса электрона много меньше массы ускоряемого иона, и поэтому первоначально ускорить электроны проще [1] (Саранцев В.П., Перельштейн Э.А., "Коллективное ускорение ионов электронными кольцами", М.: Атомиздат, 1979).

Известен способ коллективного ускорения ионов, осуществляемый в так называемых отражательных системах с виртуальным катодом (ВК) [2] (Быстрицкий В. М., Диденко А.Н., "Мощные ионные пучки", М.: Энергоатомиздат, 1984). Этот способ осуществляется следующим способом: в пространстве дрейфа или торможения электронного пучка формируют ВК, в район расположения которого инжектируют ионы. Известно несколько схем для реализации этого способа: двойной диод, симметричный отражательный триод, тетрод и т.д. (см. стр. 10 [2]).

Недостатком указанного способа является то, что ВК в целом неподвижен. Следовательно, даже при достаточно большом темпе ускорения ионов при подлете их к ВК общая энергия ускорения будет невелика.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ коллективного ускорения ионов [3] (Лацко Е. М. , "Способ ускорения ионов", а.с. СССР N 1529476, МКИ: H 05 H 5/00), заключающийся в том, что вдоль оси ускорения ионов создают цепочку нескольких ВК с помощью последовательности электронных диодов, а затем, по мере прохождения ионным пучком вдоль оси ускорения внешним устройством выводят каждый электронный промежуток из состояния с ВК в состояние без ВК. При этом можно добиться, чтобы задний фронт цепочки ВК двигался синхронно с ускоряющимся ионным пучком. Синхронность коллективного ускорения и модульность конструкции ускорителя в принципе обеспечивают ускорение ионов практически до любой энергии. Способ коллективного ускорения ионов [3] выбран нами за прототип.

Недостатком способа [3] является большая его сложность: в ускорителе, реализующем этот способ, необходимо обеспечить, во-первых, программируемую сильноточную высоковольтную коммутацию с субнаносекундной точностью, во-вторых, создание достаточно сложной конфигурации магнитного и электрического квазистационарных полей как в зоне ускорения и фокусировки электронов, так и вдоль оси ускорения ионов.

В связи с этим, технической задачей является упрощение способа коллективного ускорения ионов, а также увеличение тока ускоряемых ионов.

Техническим результатом в предлагаемом способе коллективного ускорения ионов является возможность создания достаточно простого по конструкции ускорителя ионов без внешних управляющих устройств, что обуславливает, во-первых, уменьшение массогабаритных характеристик ускорителя, а, во-вторых, упрощение его настройки и эксплуатации. Техническим результатом в предлагаемом способе является также обеспечение предельно возможного тока ускоряемых ионов.

Этот результат достигается тем, что способ коллективного ускорения ионов, заключающийся в формировании ВК в эквипотенциальном промежутке ускорительного канала путем инжекции пучка электронов и в инжекции потока положительных ионов в область формирования ВК, отличается от известного способа тем, что пучок электронов инжектируют вдоль ускорительного канала, а затем после образования ВК уменьшают ток пучка до нуля и инжектируют положительные ионы в момент исчезновения ВК.

Предлагаемый способ основан на явлении гистерезиса состояний электронного потока в пространстве дрейфа и эффекте сброса заряда при переходе из одного состояния в другое [4] (Пащенко А.В., Руткевич Б.Н., "Гистерезис состояний и эффект сброса заряда в электронном потоке", ЖТФ, 1983, т. 53, N 1, с. 75-80).

Рассмотрим стационарные состояния электронного потока в плоском эквипотенциальном промежутке для нерелятивистского случая (обобщение на релятивистский случай и неплоскую геометрию пространства дрейфа качественно не изменяют доведение электронного потока). В [4] показано, что в зависимости от величины параметра q = 4πe²n₀d²/mv₀ ², где e - заряд электрона, m - его масса, n₀ и v₀ - концентрация и скорость электронов в плоскости инжекции в эквипотенциальный промежуток соответственно, d - ширина этого промежутка, возможны следующие состояния электронного потока:
- при 0 < q < 8/9 - единственное стационарное состояние;
- при 8/9 < q < 16/9 - два стационарных состояния (гистерезис);
- при q > 16/9 - нестационарное (осциллирующее) состояние с ВК.

Будем рассматривать стационарные состояния электронного потока на примере зависимости суммарного количества электронов в промежутке от параметра q, где S - площадь электродов промежутка. Указанную зависимость для плоского эквипотенциального промежутка можно получить аналитически [4] (эта зависимость показана на фиг. 1).

При медленном (адиабатическом) увеличении q от нуля, проходя последовательно точки A(q = 0), В(q = 8/9) и C(q = 16/9), значение величины N/n₀S_d принимает последовательно значения 1; 1,03; 1,5 в точках A, B, C соответственно. При дальнейшем повышении q в точке С происходит срыв стационарного состояния и переход электронного потока в нестационарное (осциллирующее) состояние с ВК (на фиг. 1 условно показано волнистой линией).

Верхняя ветвь CD кривой на фиг. 1 соответствует нестабильному состоянию, поэтому оно не реализуется, а при обратном уменьшении q < 16/9 электронный поток остается нестационарным с ВК. При уменьшении q до значения 8/9 электронный поток приходит в состояние, соответствующем точке D.

Точка D (при q = 8/9) соответствует состоянию с максимально возможным количеством электронов в плоском эквипотенциальном промежутке (N/n₀S_d = 3).

При дальнейшем уменьшении q электронный поток скачком переходит из состояния D в состояние В. Этот скачок сопровождается сбросом электрического заряда, причем величина сбрасываемого заряда определяется разницей общих количеств электронов в состояниях D и В.

Сброс заряда соответствует скачку электронного тока на фоне квазистационарного тока электронов. Амплитуда этого скачка втрое превышает стационарный ток в состоянии В и вдвое - максимально возможный ток, соответствующий точке С. Длительность скачка тока приблизительно равна τ~d/v₀ [4] и может составлять от долей до десятков наносекунд.

Физическая сущность предлагаемого способа заключается в синхронной ионной загрузке скачка электронного тока при переходе из состояния D в состояние В. Разумеется, электронный поток при подготовке его к сбросу заряда D ---> В должен гарантированно побывать в состоянии С, что достигается инжекцией в промежуток электронного потока, величина которого в некоторый момент времени должна превосходить величину 16/9 (т.е. должно реализоваться состояние с ВК), что экспериментально легко зафиксировать по мощному СВЧ-излучению [5] (Альтеркоп Б.А., Рухадзе А.А., Сокулин А.Ю., Тараканов В.П., "Колебания виртуального катода как источник СВЧ-излучения", ЖТФ, 1991, т. 61, N 9, с. 115-123).

В способе-прототипе [3] при переключении каждого электронного промежутка из состояния с ВК в состояние без ВК также должен наблюдаться эффект сброса заряда и соответствующий ему скачок электронного тока, однако этот эффект в [3] нельзя использовать, так как сброс заряда в прототипе происходит в направлении, перпендикулярном оси ускорения ионов.

Управлять параметром q можно несколькими способами:
- путем изменения плотности инжектируемого тока электронов (варьируется величина n₀);
- путем изменения ускоряемого напряжения в электронном диоде (варьируется величина v₀);
- путем изменения ширины промежутка d, например, с помощью инжекции плазмы;
- любой комбинации этих способов.

Автоматически нужный режим изменения параметра q устанавливается в электронном ускорителе со взрывной эмиссией электронов. Обычно импульс тока в электронном диоде со взрывной эмиссией сам по себе имеет колоколообразную форму с длительностью в десятки и сотни наносекунд [6] (Hwang C.S. et al., "Generation of high power electron beam from a 2,6 MV vacuum field emission diode", Nucl. Instr. Meth. Phys. Res., 1990, v. A297, p. 1-6), и указанный режим сброса заряда, а следовательно, и режим ускорения ионов легко организовать на заднем фронте электронного тока. Это обстоятельство дает возможность предельно упростить схему коллективного ускорителя ионов, реализующего предлагаемый способ ускорения ионов.

Кроме того, максимально возможный по амплитуде электронный ток при переходе D ---> В может обеспечить максимально возможную загрузку электронного потока ионами, что в конечном счете увеличивает ток ионов до максимально возможного.

На фиг. 1 показана описанная выше зависимость N(q), а на фиг. 2 представлена одна из возможных схем ускорителя, реализующего предлагаемый способ коллективного ускорения ионов.

Рассмотрим пример осуществления предлагаемого способа и пример ускорителя ионов для реализации этого способа.

В нашем случае удобнее всего использовать электронный ускоритель прямого действия со взрывоэмиссионным катодом (1), хотя возможен и другой тип ускорителя электронов, например, линейный индукционный.

При наложении внешнего напряжения на ускоряющий промежуток (фактически отрицательного потенциала к катоду (1) относительно заземленного сетчатого анода (2)) электроны покидают поверхность катода (1) и, ускоряясь, устремляются к сетчатому аноду (2) и проходят сквозь него, попадая в эквипотенциальный промежуток, ограниченный сетчатым анодом (2) и второй сеткой (3).

При нарастании тока электронного пучка в эквипотенциальном промежутке формируется ВК (4), о появлении которого можно судить по регистрации мощного СВЧ-излучения.

Синхронно с моментом исчезновения СВЧ-излучения в область расположения ВК (4) инжектируют положительные ионы с помощью импульсной ионной пушки (5).

При дальнейшем уменьшении тока происходит сброс электронного заряда и, следовательно, ускорение сбрасываемыми из промежутка электронами ионов по направлению ко второй сетке (3). Далее электронно-ионный сгусток попадает в магнитный сепаратор (6), после которого электроны попадают на коллектор (7). Ионный пучок в магнитном сепараторе (6) освобождается от электронного сопровождения и направляется далее по назначению.

На фиг. 2 магнитный сепаратор (6) показан условно в виде вектора (кружок с точкой здесь обозначает, что вектор перпендикулярен плоскости рисунка и направлен "к нам"). Символами "e" и "i" на фиг. 2 обозначены траектории электронов и ионов соответственно.

Итак, последовательность действий при реализации предлагаемого способа такова: в эквипотенциальную полость вдоль ускорительного канала инжектируют электронный пучок и в ней формируют ВК, затем уменьшают ток электронов до нуля, а затем в область расположения ВК в момент его исчезновения инжектируют ионы.

Применительно к приведенному выше примеру ионного ускорителя эти действия выполняются следующим образом: прикладывают к электронному диоду импульс высокого напряжения и регистрируют СВЧ-излучение из эквипотенциальной области, затем на заднем фронте импульса электронного тока в момент прекращения СВЧ-излучения в область расположения ВК инжектируют ионы.

Предлагаемый способ коллективного ускорения ионов намного проще прототипа [3]: ионный ускоритель, реализующий предлагаемый способ, прост по конструкции, удобен при настройке и эксплуатации, в нем достижим режим максимально возможного тока ускоряемых ионов. Кроме того, ионный ускоритель, реализующий предлагаемый способ, можно использовать в качестве ионного инжектора для дальнейшего ускорения ионов.

Предлагаемый способ ускорения ионов может быть использован в исследованиях по управляемому термоядерному синтезу, при разработке технологий с ионной модификацией поверхностей различных изделий.

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при создании сильноточных импульсных источников ускоренных положительных ионов с импульсами наносекундной длительности. Способ коллективного ускорения ионов заключается в том, что в пространстве дрейфа электронного пучка создают виртуальный катод, а затем инжектируют ионный пучок в область расположения виртуального катода и одновременно с инжекцией ионов уменьшают ток электронов до нуля. Способ основан на явлении гистерезиса состояний электронного потока в пространстве дрейфа и эффекте сброса заряда при переходе из одного состояния в другое. Физическая сущность заключается в синхронной ионной загрузке скачка электронного тока, возникающего при этом переходе. Технический результат: упрощение способа коллективного ускорения ионов, а также увеличение тока ускоряемых ионов до максимально возможного. 2 ил.

Способ коллективного ускорения ионов, заключающийся в формировании виртуального катода в эквипотенциальном промежутке ускорительного канала путем инжекции пучка электронов и инжекции потока положительных ионов в область формирования виртуального катода, отличающийся тем, что пучок электронов инжектируют вдоль ускорительного канала, а затем после образования виртуального катода уменьшают ток пучка до нуля и инжектируют положительные ионы в момент исчезновения виртуального катода.