СИЛЬНОТОЧНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ ИОНОВ Российский патент 2011 года по МПК H01J3/00 H05H7/22 

Изобретение относится к ускорителям заряженных частиц.

Аналогами изобретения являются ускорители ионов с многоканальными ускоряющими структурами [1], [2], [3], ускорители с лазерным источником ионов [4], [5], ускорители ионов с четвертьволновыми цилиндрическими резонаторами [6], [7].

В аналогах [1], [2], [3] в силу резонансного принципа ускорения частиц высокочастотным (ВЧ) электрическим полем могут ускоряться только ионы с фиксированным отношением заряда (Z) к массе частицы (А), что уменьшает величину тока ионов, ускоренных в таких ускорителях.

Недостатки аналогов [4], [5] связаны с использованием в этих ускорителях того же принципа ускорения заряженных частиц, а также с тем, что пучки ионов, экстрагируемых из лазерной плазмы, обладают большой хаотичностью направленности движения составляющих их трубок тока. Неламинарность ионного потока приводит к большой величине эффективного эмиттанса пучков, генерируемых лазерными источниками ионов, и, как следствие, к сложности согласования этих пучков с параметрами ускоряющих каналов одноканальных ускорителей. Перечисленные факторы уменьшают величину тока ионов, ускоренных в этих ускорителях.

В ускорителе с четвертьволновым цилиндрическим резонатором [6] в одном ускоряющем канале могут ускоряться ионы, имеющие различный электрический заряд, но только с отношением Z/A, лежащим в малом интервале 0,2-0,5. Это уменьшает величину тока ионов, ускоряемых таким ускорителем.

Наиболее близким аналогом, выбранным за прототип, является полицилиндрический ускоритель ионов, состоящий из нескольких вложенных друг в друга коаксиальных резонаторов, каждый из которых соединен с отдельными генераторами электрического ВЧ напряжения и выполненных в виде набора вложенных в друг друга пустотелых металлических цилиндров, в торцевых плоскостях которых, образующих ускоряющие промежутки, имеются одиночные апертуры с центрами, находящимися на центральной продольной оси ускорителя [7].

Такой ускоритель может ускорять ионы, практически, с любым отношением Z/A.

Недостатком прототипа является малая величина тока ускоренных ионов, обусловленная тем, что ионы с различным отношением заряда к массе ускоряются в одном ускоряющем канале. Это приводит к увеличению фазового объема ионного пучка при его ускорении как в результате взаимного столкновения ионов, так и в результате искажения ускоряющего электрического поля в ускоряющих зазорах между резонаторами электрическим полем ионов пучка. Увеличение фазового объема происходит также вследствие искажения ускоряющего электрического поля, вызванного форм-фактором, который неизбежно присутствует в ускорителях заряженных частиц [8].

Известно, что при генерации лазерными источниками ионов (ЛИИ) сильноточных ионных пучков с широким спектром отношений Z/A, в силу особенности разлета лазерной плазмы в пролетных каналах ЛИИ, диаметры этих пучков превосходят диаметры, характерные для ускоряющих каналов одноканальных ускорителей [9]. Один из способов получения больших токов на выходе лазерных источников ионов связан с увеличением площади плазменной поверхности, эмитирующей ионы в пучок. Поэтому для сильноточных ЛИИ типична генерация широкоугольных пучков ионов. Инжекция заряженных частиц из таких пучков непосредственным образом, без применения специальных систем фокусировки, в ускоряющие каналы малого диаметра приводит к большим потерям ионов. Для эффективного захвата в режим ускорения ионов, экстрагируемых из лазерной плазмы, между ЛИИ и каналом ускоряющей ВЧ структуры в одноканальных ускорителях устанавливают фокусирующие линзы [6], [7]. Известно, что фокусирующие линзы обладают различными видами аберраций, увеличивающих фазовый объем ионного пучка на входе ускоряющего канала [8]. Это приводит к уменьшению величины тока ионов, ускоренных в ускорителе.

В лазерных источниках ионов при разлете от мишени лазерной плазмы в пролетном канале скорости и углы разлета ионов зависят от их зарядового состояния. В результате этого на выходе ЛИИ частицы с различными зарядами разнесены в пространстве, занимаемом ионным пучком [10]. Показано, что зоны с наибольшей ионной плотностью будут, для высокозарядных ионов, располагаться ближе к центральной продольной оси ионного пучка. Зоны ионов, имеющих меньшие заряды, соответствующим образом будут удалены к периферии от центральной продольной оси ионного пучка [11].

Целью работы является увеличение тока ускоренных в ускорителе ионов. Сущность изобретения заключается в том, что в сильноточном ускорителе ионов, состоящем из нескольких вложенных друг в друга коаксиальных резонаторов, каждый из которых соединен с отдельным генератором электрического ВЧ напряжения и выполненных в виде набора вложенных в друг друга пустотелых металлических цилиндров, в торцевых плоскостях которых, образующих ускоряющие промежутки, выполнено множество соосных апертур малого сечения, оси которых направлены вдоль центральной продольной оси сильноточного ускорителя ионов и установленного в нем лазерного источника ионов.

Таким образом, в результате внесенных в прототип конструктивных изменений, наличия множества соосных апертур малого диаметра в торцевых плоскостях коаксиальных резонаторов, образующих ускоряющие зазоры, и применения лазерного источника ионов по сравнению с известными техническими решениями в заявленном изобретении появляется новое физическое свойство. А именно. Так, как на выходе ЛИИ происходит пространственное разделение ионов с различными зарядовыми состояниями, это позволят в предлагаемом сильноточном ускорителе ионов инжектировать их в соответствующие их пространственному положению ускоряющие каналы коаксиальных резонаторов и производить дальнейшее ускорение уже близких по величине заряда ионов в данных ускоряющих каналах.

Кроме того, в предложенном изобретении появляются дополнительные свойства, способствующие достижению поставленной цели. Становится возможной инжекция в ускоряющие резонаторы практически всех заряженных частиц из широкоугольных ионных пучков большого диаметра без применения фокусирующих линз. Уменьшается нарастание фазового объема ионного пучка как при его вводе в коаксиальные резонаторы ускоряющей структуры, так и в процессе дальнейшего ускорения ионов, обеспечивая возможность эффективного ускорения неламинарных пучков ионов. Появляется возможность для увеличения в ЛИИ площади поверхности лазерной плазмы, эмитирующей ионы в пучок.

Известны многолучевые ускорители заряженных частиц с большой суммарной площадью ускоряющих каналов, способные без применения фокусирующих линз захватывать в режим ускорения и ускорять широкоугольные пучки ионов [1], [2], [3]. Но они ускоряют только ионы с фиксированным отношением заряда к массе, что уменьшает величину ускоряемого в таких ускорителях тока ионов.

Известны одноканальные ускорители с ЛИИ [4], [5]. Но из-за малого диаметра апертур ускоряющих каналов данных ускорителей возникают большие потери ионов пучка при его захвате и ускорении, кроме того, в них эффективно ускоряются только ионы с фиксированным отношением Z/A. Перечисленные факторы уменьшают величину тока ионов, ускоряемых этими ускорителями.

Известен одноканальный ускоритель, работающий как без ЛИИ, так и с ЛИИ, [6], [11]. Но он ускоряет только ионы с малым отношением Z/A. Кроме того, из-за необходимости применения фокусирующих линз, а также в результате искажений ускоряющего электрического поля в ускоряющих промежутках для этого ускорителя характерна большая потеря ионов при их захвате и в результате нарастания фазового объема ионного пучка в процессе его ускорения. Эти факторы уменьшают величину тока ускоряемых в данном ускорителе ионов.

Известен одноканальный ускоритель ионов, ускоряющий ионы, практически, с любым отношением Z/A [7]. Но он не позволяет эффективно ускорять пучки ионов с плохой ламинарностью потока. Действие форм-фактора и возникающие искажения ускоряющего электрического поля в ускоряющих промежутках ВЧ ускоряющей структуры данного ускорителя ионов способствуют увеличению фазового объема ионного пучка при его ускорении. Перечисленные причины уменьшают величину тока ионов, ускоряемых в таком ускорителе.

Многолучевых ускорителей, способных без применения систем фокусировки эффективно захватывать в режим ускорения заряженные частицы из широкоугольных пучков с плохой ламинарностью потока и одновременно ускорять ионы с, практически, любым отношением заряда к массе в разнесенных в пространстве соответственно их зарядовому состоянию отдельных ускоряющих каналах, в существующих технических решениях не обнаружено.

Анализ отличительных существенных признаков и проявленных благодаря им свойств, связанных с достижением положительного эффекта, а именно наличие конструктивных изменений, вызвавших возникновение нового физического свойства, позволяет считать, что заявленное техническое решение соответствует критерию существенные отличия.

На фиг.1 показан сильноточный ускоритель ионов, состоящий из лазерного источника ионов 1 широко известной конструкции, включающего в себя мишень 2, материал которой испаряется световым излучением лазера 3, образуя лазерную плазму 4. Эта плазма разлетается в пролетном канале между мишенью 2 и ионно-оптической системой (ИОС) 5, осуществляющей отбор ионов из лазерной плазмы, формирование из них ионного пучка и предварительное ускорение этого пучка до его ввода в коаксиальные резонаторы 6. В этих коаксиальных резонаторах и происходит основное ускорение ионов. Как показано на фиг.1, коаксиальные резонаторы 6 представляют собой набор вложенных друг в друга пустотелых металлических цилиндров, диаметры которых изменяются в интервале величин от d до d_x. Показатель x соответствует числу коаксиальных резонаторов. В смежных торцевых плоскостях этих резонаторов, образующих ускоряющие промежутки, имеется множество соосных друг с другом апертур 7 малого диаметра. Данная конструкция позволяет за счет увеличения суммарной площади ускоряющих апертур в торцах коаксиальных резонаторов 6 инжектировать в них ионы, ИОС 5 со всей поверхности лазерной плазмы 4, без применения каких-либо дополнительных фокусирующих устройств. Как показано на фиг.1, каждый из коаксиальных резонаторов 6 электрически соединен с отдельным генератором электрического ВЧ напряжения 8. Такая схема электропитания позволяет раздельно регулировать амплитуду и фазу электрического напряжения на каждом из коаксиальных резонаторов, оптимизируя условия ускорения ионов с различным отношением Z/A.

Поскольку в ускорительной технике иногда может иметь место неоднозначная трактовка некоторых положений, связанных с характеристиками ионного пучка, целесообразно уточнить понятия терминов, используемых в данном изобретении.

При ускорении пучка ионов в одноканальных резонансных ускорителях необходимо поддерживать определенное соотношение его фазового объема с пропускной способностью ускоряющего канала, которая зависит от параметров ускоряющего ионы электрического поля и от конструкции ускоряющего канала [8]. Очевидно, с увеличением диаметра ускоряющего канала повышается его пропускная способность. Расхождение ионного пучка в процессе ускорения зависит от разброса импульсов поперечного движения составляющих его ионов, который определяет поперечную температуру (в дальнейшем - температуру) ионов пучка. Для нерелятивистских скоростей ионов их температура будет идентифицироваться разбросом поперечных скоростей ионов пучка. Общепринято фазовые характеристики ионного пучка в декартовой системе координат на фазовой плоскости изображать в виде эллипса, по оси абсцисс которой отложен диаметр пучка, по оси ординат - угол, соответствующий величине разброса поперечных скоростей ионов, составляющих пучок, для каждой точки его диаметра. Площадь такого эллипса называется абсолютным эмиттансом ионного пучка и зависит от величины ускоряющего ионы электрического напряжения [8]. Угол наклона эллипса относительно оси абсцисс характеризует угловое расхождение пучка ионов, не определяемое его температурой. Величина абсолютного эмиттанса, умноженная на значения параметров β и γ, где β и γ - широко известные величины релятивистского фактора, и разделенная на π, называется фазовым объемом ионного пучка, не зависящим от ускоряющего напряжения [8]. Каждая выделенная трубка тока в пучке ионов на фазовой плоскости характеризуется площадью и углом наклона присущего ей эллипса абсолютного эмиттанса, или своим фазовым объемом. Площадь под кривой на фазовой плоскости, охватывающая эллипсы всех трубок тока пучка, называется эффективным эмиттансом пучка [8]. Или в тексте - эмиттансом ионного пучка. Таким образом, чем большую степень разброса угловой направленности имеют трубки тока в ионном пучке, тем больше будет величина его эффективного эмиттанса и тем труднее согласовывать такой пучок с пропускной способностью ускоряющего канала и сложнее ускорять ионы без потерь в ускорителе.

Остановимся более детально на ряде физических эффектов, ограничивающих величину тока ионов, ускоряемых в ускорителях, и на мерах по их преодолению, использованных в данном изобретении.

- В работе [8] показано, что при ускорении пучка ионов в одноканальных резонансных ускорителях не допустимо бесконтрольное повышение величины тока ускоряемых ионов путем увеличения диаметра ускоряющего канала. Чрезмерное увеличение размеров апертуры ускоряющего канала приводит к искривлению силовых линий ускоряющего ионы электрического поля в ускоряющих промежутках, что способствует увеличению разброса поперечных скоростей движения ионов в ускоряемом пучке и нарастанию его фазового объема. Действительно известно, что электрическое поле искажается наименьшим образом между двумя сплошными параллельными друг другу плоскостями. Если в этих плоскостях имеются апертуры, неизбежно возникает искажение формы силовых линий электрического поля в зазоре между этими плоскостями, особенно на краях апертур, зависящее от отношения диаметра апертуры к длине ускоряющего промежутка. Это и есть упоминавшийся выше так называемый фактор формы или форм-фактор. Причем данное искажение электрического поля тем сильнее, чем больше отношение диаметра апертуры к длине ускоряющего промежутка. При увеличении размера апертур и длины ускоряющих промежутков для минимизации негативного действия форм-фактора ухудшается добротность резонаторов, появляются сложности с их ВЧ электропитанием и динамикой ускорения ионов. Уменьшение поперечных размеров апертуры ускоряющих каналов, при сохранении заданной длины ускоряющих промежутков, минимизирующее негативное действие форм-фактора, уменьшает количество заряженных частиц, ускоряемых в ускорителе.

Разрешить такое противоречие позволяет применение ускоряющих резонаторов, имеющих на своих торцах, образующих ускоряющие промежутки, много соосных апертур малого диаметра. Поскольку каждая апертура мала, то увеличение площади, занимаемой этими апертурами на торцевых плоскостях коаксиальных резонаторов, не приводит к искажению ускоряющего электрического поля в ускоряющих промежутках. Подобное техническое решение минимизирует действие форм-фактора и способствует увеличению тока ускоряемых в ускорителе ионов.

- Другой причиной, вызывающей искажение электрического поля в ускоряющих промежутках, является воздействие на него электрического поля, создаваемого зарядами ионов пучка [8]. Согласно теореме Остроградского - Гаусса, величина электрического поля, создаваемого зарядами ионов ускоряемого ионного пучка, пропорциональна их числу в плоскости его поперечного сечения [12]. Сильноточные пучки ионов большого диаметра создают вокруг себя значительное по величине радиальное электрическое поле. Его суперпозиция с аксиальным ускоряющим электрическим полем приводит к искажению первоначального профиля электрического поля в ускоряющих зазорах.

- Кроме того, сильноточные пучки ионов интенсивно расплываются под действием собственного объемного заряда пучка (т.н. кулоновское расплывание пучка).

Применение многоапертурной ускоряющей системы позволяет уменьшить влияние и этого негативного фактора. В такой ускоряющей системе апертуры в торцевых плоскостях коаксиальных резонаторов могут быть выполнены в виде решеток, фиг.2, по аналогии с работой [2]. Или в виде множества мелких отверстий круглого сечения, аналогично [3]. Выбор профилей апертур не играет в данном изобретении принципиальной роли. Главное, чтобы этих апертур в смежных торцевых плоскостях ускоряющих коаксиальных резонаторов было достаточно много, они имели малые размеры и были соосны друг с другом. В результате, по сравнению с одноапертурной ускоряющей системой, при одной и той же величине тока ускоряемых ионов, в многоапертурной ускоряющей системе одновременно ускоряются ионные пучки, каждый из которых имеет малое поперечное сечение и, как следствие, малую амплитуду тока. Их ускорение осуществляется в отдельных, разнесенных между собою ускоряющих каналах, находящихся на таком взаимном расстоянии, при котором данные пучки электрически, практически, не взаимодействуют друг с другом. Этим достигается минимизация искажений профиля ускоряющего электрического поля в ускоряющих промежутках, вызываемых действием электрического поля зарядов ионов пучка.

Кроме этого, многопучковый режим ускорения ионов позволяет минимизировать эффект кулоновского расплывания ионного пучка. При ускорении заряженных частиц действие их объемного электрического заряда на расходимость ионного пучка характеризуется известной величиной, называемой первеансом Р пучка. Р=I/V^3/2, где I - ток ионов пучка, V - ускоряющее его электрическое напряжение [8]. Очевидно, что при одном и том же конечном значении величины ускоряемого тока I величина первеанса в отдельных ионных пучках с малым током в многоапертурной ускоряющей системе будет меньше, чем первеанс полного пучка, следовательно, и его угловое расхождение в ускорителе с одним ускоряющим каналом, по которому проходит весь ток ионов I. Перечисленные факторы, препятствующие кулоновскому расплыванию ионного пучка в многоапертурных ускоряющих системах, способствуют сокращению потерь ионов при их ускорении в таких ускорителях по сравнению с одноканальными ускорителями ионов.

- Известно, что в силу физических особенностей лазерной плазмы граница ее мениска в области отбора ионов в пучок, вблизи ИОС 5, фиг.1, характеризуется высокой степенью нестационарности профиля и распределения локальных участков с различной плотностью ионов как в пространстве, так и во времени [13], [14]. По фотографии сечения ионного пучка на выходе ЛИИ, приведенной в [11], можно судить о состоянии плазменной поверхности, эмитирующей ионы в пучок. На этом снимке видно, что плоскость сечения ионного пучка имеет множество локальных участков с различной плотностью ионов, фиг.3. По-видимому, подобная картина распределения ионов будет и на плазменной поверхности, эмитирующей их в пучок. Такое состояние лазерной плазмы приводит к тому, что трубки тока в пучке ионов на выходе ЛИИ будут иметь большой угловой разброс направлений движения. И несмотря на малое значение температуры ионов в пучке (согласно [13] она меньше 0,1 эВ) такие пучки ионов будут обладать большой величиной эффективного эмиттанса, что затрудняет их ускорение в одноканальном ускорителе.

Поскольку площадь суммарного поперечного сечения ускоряющих каналов многоапертурного ускорителя по сравнению с аналогичным параметром одноканального ускорителя велика, то ионы в трубке тока, имеющей угловое отклонение от аксиальной оси ускорителя, могут в процессе набора энергии продолжать ускорение в ускоряющих каналах, находящихся на различных радиальных расстояниях от центральной оси ускорителя. Это позволяет эффективно ускорять в таком ускорителе ионные пучки с большим значением эмиттанса.

Перечисленные выше факторы наглядно демонстрируют преимущества применения многопучкового режима ускорения в полицилиндрических ускорителях для увеличения ускоряемого в них тока ионов.

- Другой негативный фактор, приводящий к нарастанию фазового объема ускоряемого ионного пучка, связан с эффектом совместного ускорения в одном ускоряющем канале ионов с различным отношением Z/A. Он возникает, в том числе, и из-за взаимных столкновений ионов, вызванных различным темпом их ускорения.

Возможность сепарации ионов с различными зарядами в отдельные ускоряющие каналы и последующее их ускорение в этих каналах позволяют уменьшить нарастание фазового объема в ускоряемом ионном пучке. Применение в заявленном изобретении именно лазерного источника ионов обеспечивает решение данной задачи. Поскольку в плазме, образованной ионизацией материала мишени лазерным излучением, имеет место зависимость угла разлета ионов от их зарядового состояния [10], [11]. Данное явление может быть связано с таким, присущим лазерной плазме физическим эффектом, как действие на тяжелую составляющую лазерной плазмы в самом начале ее разлета в области конусообразной микроворонки, возникающей в теле мишени, электрических сил, создаваемых фронтом быстрых плазменных электронов [13]. Этот фронт опережает при разлете основную массу лазерной плазмы и в пространстве разрыва образуется сильное самосогласованное электрическое поле [15]. Такое поле будет ускорять ионы лазерной плазмы тем сильнее, чем выше заряд иона. Поэтому в течение одного и того же времени выхода лазерной плазмы из области тела мишени многозарядные ионы приобретают более высокую скорость и быстрее преодолевают пространство вблизи поверхности мишени, в котором осуществляется дополнительный подогрев лазерной плазмы световым излучением. Это способствует уменьшению их поперечной скорости. Ионы, имеющие большой электрический заряд, двигаются в направлении продольной оси ЛИИ быстрее, чем ионы с меньшими зарядами, и в конце пролетного канала будут иметь меньшие углы разлета.

Наличие зависимости угла разлета ионов в лазерной плазме от их зарядового состояния, показанное в работе [11], позволяет получать в зоне отбора ионов в пучок плазменную поверхность с пространственным распределением частиц, имеющих различные зарядовые состояния. Типичный вид поперечного сечения ионного пучка из этой работы, экстрагированного с такой плазменной поверхности, показан на фотографии фиг.3. Как видно на фиг.3, отчетливо просматривается кольцевая структура характерного распределения плотности ионов в данном пучке. Это позволяет производить их пространственную сепарацию по зарядовым состояниям на выходе ЛИИ и инжектировать частицы с различными зарядами в соответствующие их радиальным координатам ускоряющие каналы многоапертурной ускоряющей системы.

Таким образом, применение в заявленном изобретении лазерного источника ионов, генерирующего сильноточные ионные пучки, в сочетании с ускоряющей структурой, выполненной на основе полицилиндрических коаксиальных резонаторов с многоапертурной конструкцией ускоряющих промежутков, позволяет, без применения фокусирующих линз, вводить в ускоряющие каналы и одновременно ускорять, практически, все ионы, экстрагируемые из лазерной плазмы с большой площадью поверхности эмиссии, при минимальном эффекте нарастания фазового объема ионного пучка в ускорителе. Это приводит к увеличению тока ионов, ускоренных в ускорителе.

Поскольку при ускорении ионного пучка величина его абсолютного эмиттанса уменьшается [8], то ускоренный до высокой энергии многопучковый ансамбль ионов затем можно легко свести в единый пучок для дальнейшего использования.

Данное изобретение может быть применено при создании сильноточных облучательных установок или в драйвере тяжелоионного инерционного синтеза [6].

Литература.

1. В.В.Кушин, Б.П.Мурин, П.А.Федотов. Многопучковый ускоритель тяжелых ионов с фазопеременной фокусировкой. // Приборы и техника эксперимента. №2. С.25. 1981.

2. В.В.Кушин, С.В.Плотников. Многоканальная ускоряющая система с решеточной фокусировкой. Часть 1. - ISBNS-7262-0354-2. Сборник «Научная сессия МИФИ-2001», т.7, Москва, МИФИ, с.157.

3. Б.К.Кондратьев, В.В.Кушин, В.И.Турчин и др. Инжектор многолучевого ускорителя протонов. // Приборы и техника эксперимента. №4. С.5-13. 2004.

4. G.Korschinek and J.Sellmair. Rev. Sci. Instrum. No. 57, p.745, 1986 у.

5. H.Jurgen Kluge, F.Ames, W.Ruster and al. Invited talk given at the Accelerated Radioactive Beams Workshop. Vancouver Island. Canada, 4-5 Sept. 1985, CERN-EP/85-162, Oct. 4, 1985.

6. N.N.Alexeev, S.L.Berznitsky, V.I. Nikolaev. Beam dynamics in matching channel of ITEP-TWAC heavy ion injector 1-3. Proceedings of EPAC 2000, Vienna, Austria, 1283-1285.

7. В.В.Кобец. Линейные высокочастотные ускорители протонов и отрицательных ионов водорода. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, ОИЯИ, 2006 г.

8. И.М.Капчинский. Теория линейных резонансных ускорителей. М.: Энергоиздат, с.217-225, 1982 г.

9. Л.З.Барабаш, Ю.А.Быковский, А.А.Голубев и др. Характеристики лазерной плазмы как источника ионов для драйвера тяжелоионного инерционного синтеза. М.: Препринт ИТЭФ, №12, 1983.

10. A.E.Stepanov, Yu.A.Satov, K.N.Makarov, et al. Study of angular dependences of ion component parameters in CO₂ laser-produced plasma. // Plasma Phys. Control Fusion, v.45, p.1261-1281, 2003.

11. Ю.А.Сатов. Формирование мощных импульсов CO₂ лазера для исследования лазерной плазмы и эффективной генерации высокозарядных ионов. Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук, ГНЦ. РФ. ТРИНИТИ. Машинопись. С.185-212. 2005 г.

12. Б.М.Яворский, А.А.Детлаф. Справочник по физике. М.: Гос. Издат. Физ.-мат. литературы. С.335. 1963 г.

13. Ю.П.Козырев, Б.Ю.Шарков. Введение в физику лазерной плазмы. Учебное пособие, М., МИФИ, ч.1. С.22. 1980.

14. Г.Е.Беляев, Б.К.Кондратьев, А.В.Турчин и др. Комбинированный источник ионов с двухступенчатым электрическим зарядом. Патент РФ на изобретение №2248641 от 20.03.2005 г.

15. Я.Браун. Физика и технология источников ионов. М.: Мир. С.323-339. 1998 г.

Изобретение относится к ускорителям заряженных частиц. Технический результат - увеличение тока ускоренных в ускорителе ионов. Достижение этого результата обеспечивается путем применения сильноточного источника ионов, пространственное положение ионов на выходе которого зависит от их заряда. Применением ускоряющей ВЧ структуры с большим суммарным поперечным сечением ускоряющего пространства, способной непосредственным образом захватывать и ускорять большинство ионов из широкоугольных не конгруэнтных (с плохой ламинарностью трубок тока) ионных пучков с, практически, любым отношением заряда к массе, с малым эффектом нарастания фазового объема пучка при его ускорении. В сильноточном ускорителе ионов применен лазерный источник ионов, в котором угол разлета заряженных частиц зависит от их заряда. Используется многоапертурная высокочастотная (ВЧ) ускоряющая система с полицилиндрическими коаксиальными резонаторами, способная захватывать в режим ускорения большинство ионов из широкоугольных ионных пучков без применения фокусирующих линз. В этой ускоряющей системе минимизировано действие факторов, приводящих к увеличению фазового объема и угла расхождения ионного пучка при его ускорении. Таких факторов, как искажение ускоряющего поля в ускоряющих промежутках за счет фактора формы ускоряющих зазоров, действия объемного заряда пучка ионов на ускоряющее электрическое поле и негативные эффекты, вызванные столкновениями ионов с различными зарядами при их ускорении в одном ускоряющем канале, путем ускорения ионов различной зарядности в отдельных ускоряющих каналах и в результате ускорения ионных пучков с плохой конгруэнтностью. Таким образом, в результате внесенных конструктивных изменений, наличия множества соосных апертур малого диаметра на торцевых плоскостях коаксиальных резонаторов, образующих ускоряющие зазоры, и применения лазерного источника ионов осуществляется пространственное разделение ионов с различными зарядовыми состояниями на входе в ускоряющие коаксиальные резонаторы и дальнейшее ускорение однотипных по заряду ионов в соответствующих их пространственному положению каналах данных резонаторов, а также реализуется возможность ввода в такие резонаторы всех типов заряженных частиц из широкоугольных пучков, генерируемых источниками этих частиц, в т.ч. и электронов, без применения фокусирующих линз. 3 ил.

Сильноточный ускоритель ионов, состоящий из нескольких вложенных друг в друга коаксиальных резонаторов, каждый из которых соединен с отдельным генератором электрического ВЧ-напряжения, выполненных в виде набора вложенных друг в друга пустотелых металлических цилиндров, отличающийся тем, что в торцевых плоскостях этих цилиндров, образующих ускоряющие промежутки, выполнено множество соосных апертур малого сечения, оси которых направлены вдоль центральной продольной оси сильноточного ускорителя ионов и установленного в нем лазерного источника ионов.