ИНЖЕКТОР ДЛЯ УСКОРИТЕЛЯ КЛАСТЕРНЫХ ИОНОВ Российский патент 2022 года по МПК H01J3/04 H05H7/02 

Изобретение относится к области ускорителей заряженных частиц с большой массой и с малым электрическим зарядом, и может использоваться при создании ускорителей кластерных ионов для применения в областях ядерной энергетики, решения проблем управляемого термоядерного синтеза и для изучения свойств материи при сверхвысокой плотности энергии.

Инжектор является элементом устройства ускорителя, осуществляющий экстракцию заряженных частиц из их источника, формирование в пучок, предварительное ускорение этого пучка, его транспортировку и ввод в ускоряющую высокочастотную систему.

Кластерный ион или кластер представляет собой ансамбль частиц, состоящий из атомов вещества и содержащий от десятков до многих тысяч атомов, и, как правило, одного или нескольких ионов этого вещества. Характерной особенностью источников кластерных ионов является генерация плазмы с низким содержанием частиц такого сорта (Б.М. Смирнов, "Процессы в кластерной плазме и кластерных пучках", Письма в ЖЭТФ, 68, 741-746. (1998).

Одним из способов увеличения интенсивности кластерных ионов (кластеров) в ускоряемом пучке является их отбор в режим ускорения с большой площади плазменной поверхности (E.W. Becker, Н. Falter, O.F. Hagena et. all. // Nucl. Fusion. 1977. V. 17. №3. P. 617.). В том числе, по нескольким каналам, с последующей их экстракцией в высокочастотную (ВЧ) ускоряющую систему ускорителя (С.В. Плотников, В.И. Турчин. Высокочастотная структура для ускорения кластерных ионов. Патент на изобретение №2567741, от 12.10.2015. Публикация ОИ 10.11.2015 г. Бюл. №31).

Кластерные ионы, из-за большой собственной массы, обладают малой подвижностью, что затрудняет их фокусировку в электрическом поле.

Известен ускоритель кластерных ионов изотопов водорода с экстракцией кластеров из плазмы по одному каналу (M.J. Caillard, A. Schempp, Н.О. Moser et. all. First hight-energy hydrogeh cluster beams. 6^th International Symposium on Small Particles and Inorganic Cluster ISSPC 6, Chicago, September 15-22, 1992). Недостатком известного ускорителя является малый ток кластеров в ускоренном пучке из-за их низкого содержания в дейтериевой плазме источника ионов (ИИ).

Известен многоканальный инжектор ускорителя протонов, состоящий из нескольких обечаек, в которых выполнены соосно-расположенные апертуры одинакового диаметра, и на обечайки подается электрическое напряжение с различной величиной электрических потенциалов (Модернизация инжектора многолучевого ускорителя протонов. Б.К. Кондратьев, А.В. Турчин, В.И. Турчин. ПТЭ №4, с. 29-41, 2009 г). Недостатки данного устройства состоят в следующем. Во-первых, площадь отбора ионов из плазмы невелика, из-за того, что поперечные размеры его апертур не превышают диаметры апертур в трубках дрейфа ускоряющей высокочастотной системы, что уменьшает величину тока ускоренных ускорителем ионных пучков. Во-вторых, довольно слабая фокусировка пучков электрическим полем, препятствующая ускорению кластерных ионов с большой массой.

Известен ИИ с удержанием заряженных частиц плазмы от ухода на его боковые стенки при помощи мультипольного (мультикаспового) магнитного поля. (Семашко Н.Н., Владимиров А.Н., Кузнецов В.В и др. Инжекторы быстрых атомов водорода. М. Энергоиздат. 1981. С. 86-88). Недостатком известного ИИ является отсутствие радиальной компрессии плазмы.

Известна фокусировка пучка высокоэнергетичных заряженных частиц с большой массой в магнитной квадрупольной линзе (Я. Браун. Физика и технология источников ионов. Москва. «Мир». 1998. С. 78-80). Недостаток таких устройств в том, что квадрупольная линза фокусирует пучок заряженных частиц в одной плоскости и дефокусирует их в другой, нарушая его симметрию.

Наиболее близким аналогом предложенному изобретению, принятым за прототип, является многоапертурный инжектор ионов, позволяющий одновременно инжектировать в ускоритель ионы, экстрагированные с большой площади плазменной поверхности (Боголюбов Е.П., Бобылев В.Т., Кузнецов В.А. и др. Возможность повышения эффективности нейтронного генератора за счет использования многолучевой системы инжекции дейтронов. Сборник материалов межотраслевой научно-технической конференции. Портативные генераторы нейтронов и технологии на их основе, Москва, Россия, 26-30 мая, с. 137-144, 2003 г.). Известный многоапертурный инжектор ионов состоит из металлических обечаек, в которых выполнены апертуры одинакового диаметра, соосно-сходящиеся к трубке дрейфа, установленной на входе ускоряющей ВЧ системы, при этом между обечайками создана разность электрических потенциалов.

Недостатки инжектора согласно прототипу состоят в том, что площадь его апертур не превышает площадь апертур в трубках дрейфа ускоряющей ВЧ системы, ограничивая количество экстрагируемых ионов из плазмы. Кроме этого, слабая фокусировка и удержание заряженных частиц на траектории дрейфа электрическим полем в зазорах между обечайками каналов уменьшает плотность заряженных частиц в пучке при ускорении ионов с большой массой.

Техническая проблема состоит в необходимости увеличения на выходе инжектора для ускорителя кластерных ионов тока пучка кластеров, обладающих большой массой.

Технической задачей предложенного изобретения является создание инжектора для ускоряющей ВЧ системы ускорителя с увеличенной инжекцией кластерных ионов.

При решении технической задачи было обеспечено достижение не только увеличения инжекции кластерных ионов, но также усиление их фокусировки, удержание от потерь кластеров при транспортировке и обеспечение оптимальных параметров для их ввода из инжектора для ускорителя кластерных ионов в ускоряющую ВЧ систему ускорителя, что составляет технический результат предложенного изобретения.

Достижение заявленного технического результата обеспечивается тем, что предложенная в данном изобретении конструкция устройства, являющегося инжектором кластеров для ускоряющей ВЧ системы ускорителя, позволяет:

- производить отбор кластерных ионов с большой площади плазменных поверхностей одновременно из нескольких источников кластерных ионов;

- формировать их в ионные пучки, при этом фокусировка, ускорение и транспортировка этих пучков происходит в пространстве со скрещенными силовыми полями, усиливающими эффективность этих процессов в магнитном и электрическом полях;

- локализовать концентрацию кластерных ионов в зоне действия электрического поля, свободной от магнитного поля.

Предложен инжектор для ускорителя кластерных ионов, как и в ближайшем аналоге, содержащий обечайки, в которых выполнены апертуры, соосно-сходящиеся к его центральной оси, в направлении от ИИ к ускоряющей ВЧ системе, с диаметрами, уменьшающимися по мере приближения обечаек к указанной ВЧ системе. Однако, в оригинальной конструкции раскрытого в настоящей заявке инжектора обечайки выполнены из диэлектрического материала и, каждая апертура на ближайшей к источнику кластерных ионов обечайке соединена с выходом соответствующего источника кластерных ионов и во все апертуры всех обечаек установлены тонкостенные металлические трубки дрейфа таким образом, чтобы между соответствующими трубками дрейфа соседних обечаек существовали зазоры. Причем диаметр каждой трубки дрейфа должен соответствовать диаметру апертуры в данной обечайке. При этом все трубки дрейфа на каждой обечайке электрически соединены между собой и с отдельным источником электропитания, а между обечайками, симметрично центральной продольной оси зазоров между трубками дрейфа, вокруг этих трубок дрейфа, на одинаковом расстоянии от стенок трубок дрейфа, установлены по шесть постоянных магнитов, электрически изолированных от трубок дрейфа и сдвинутых по окружности относительно друг друга на 60 градусов так, чтобы в трубках дрейфа и в зазорах между ними существовало мультипольное магнитное поле, величина которого на центральной продольной оси зазоров равнялась нулю и резко нарастала вблизи поверхностей постоянных магнитов и в зазорах между ними.

Ускорение и фокусировка кластеров осуществляется при помощи аксиально-симметричного электрического поля, а удерживание заряженных частиц на траектории их движения и формирование геометрии пучка, с уменьшением его поперечных размеров, реализовано при помощи магнитного поля сложной конфигурации, силовые линии которого направлены перпендикулярно траектории движения пучка.

В предложенном изобретении применена особая суперпозиция таких полей, которая характеризуется наличием нарастающей в направлении от ИИ к ускоряющей ВЧ системе, вдоль траектории движения пучка кластерных ионов, пространственной плотностью мультипольного магнитного поля. Увеличение которого является следствием предложенной в изобретении оригинальной конструкции магнитной системы со сходящимися к центральной продольной оси движения пучка поверхностями постоянных магнитов. Предложенная конструкция способствует не только эффективному удержанию тяжелых заряженных частиц на требуемой траектории движения, но и радиальному обжатию пучка кластерных ионов, уменьшая в процессе дрейфа его поперечные размеры до необходимых значений. Совокупное действие перечисленных выше физических эффектов позволяет изменять диаметры экстрагированных из ИИ пучков заряженных частиц и траектории их движения таким образом, чтобы обеспечить ввод всех инжектированных источниками кластерных ионов в ускоряющую систему как одноканальную, так и многоканальную ускоряющую ВЧ систему ускорителя.

В предложенном изобретении экстрагированные из плазмы ИИ кластерные ионы подвергаются фокусировке и ускоряются аксиально-симметричным электрическим полем в зазорах между трубками дрейфа. Удержание кластерных ионов в пучке от разлета обеспечивается за счет эффекта нарастания в радиальном направлении от центральной продольной оси движения пучка, которая свободна от магнитного поля, к постоянным магнитам величины напряженности магнитного поля. Такая его конфигурация, при которой возникает увеличивающееся магнитное давление на заряженную частицу в направлении от центра к плоскостям постоянных магнитов, способствует вытеснению кластерных ионов в область центральной продольной оси. В результате магнитного давления, ускоряемый пучок кластеров, стремясь занять область свободную от магнитного поля, будет вынужден двигаться по траектории, задаваемой направлением центральной продольной оси зазоров между трубками дрейфа.

Предложенное расположение постоянных магнитов, с постоянно уменьшающимся расстоянием от плоскостей их поверхностей до центральной продольной оси движения пучка, в направлении от ИИ к ускоряющей ВЧ системе, способствует возникновению радиальной компрессии пучка кластерных ионов сходящимся в пространстве к оси зазора мультипольным магнитным полем. Это позволяет дополнительно усилить эффект удержания заряженных частиц на траектории их движения, за счет того, что величина плотности в пространстве этого поля нарастает в направлении от ИИ к ускоряющей ВЧ системе. Соответственно, подбор магнитных свойств постоянных магнитов и их размещение в пространстве путем регулировки расстояния относительно поверхности трубок дрейфа, позволяют оптимизировать условия для ускорения кластерных ионов с различной массой и способствуют расширению диапазона масс ускоряемых кластерных ионов.

Предложенный способ установки постоянных магнитов относительно трубок дрейфа в зазорах между обечайками приводит к возникновению нового физического свойства, а именно, возникновению радиального градиента плотности мультипольного магнитного поля вдоль всей траектории движения пучка кластеров, в направлении от ИИ к ускоряющей ВЧ системе. Это способствует радиальной компрессии данного пучка на траектории его движения от ИИ к ускоряющей ВЧ системе и уменьшает потери кластеров при вводе их в ускоряющую ВЧ структуру ускорителя.

Реализованные в предложенном изобретении фокусировка пучка ионов электрическим полем и его компрессия мультипольным магнитным полем с нарастающей по величине напряженностью позволяют увеличивать апертуры для экстракции заряженных частиц из ИИ и способствуют увеличению числа экстрагируемых кластерных ионов из плазмы ИИ.

Перечисленные выше физические явления и особенности конструкции, наряду с многоканальностью предложенного устройства, позволяют увеличить ток пучка кластерных ионов на выходе ускорителя и расширяют границы спектра масс кластеров, для возможности их эффективного ускорения, необходимые для возможности их эффективного ускорения, тем самым, обеспечивая достижение заявленного технического результата изобретения.

Анализ отличительных существенных признаков и появившихся в результате предложенных конструктивных изменений полезных и новых физических свойств, обеспечивших возможность увеличения площади плазменной поверхности для одновременного отбора заряженных частиц из нескольких ИИ, эффективного их удержания на траектории движения и радиальной компрессии пучков с различной массой кластерных ионов, за счет применения оригинальной суперпозиции электрического и магнитного полей в предложенной конфигурации, позволяют считать, что предложенное решение -инжектор для ускорителя кластерных ионов соответствует критериям изобретения.

Краткое описание чертежей.

На рис. 1 представлена структурная схема инжектора для ускорителя кластерных ионов, где:

1 - корпус инжектора,

2 - обечайки из диэлектрического материала,

3 - тонкостенные металлические трубки дрейфа,

4 - конфигурация силовых линий электрического поля,

5 - постоянные магниты,

6 - конфигурация силовых линий мультипольного магнитного поля,

7 - ускоряющая ВЧ система,

8 - блок питания (БП),

9 - источник кластерных ионов.

На рис. 2 показана структура силовых линий магнитного и электрического полей в зазоре между трубками дрейфа, где:

1 - корпус инжектора (аналогично рис. 1),

3 - тонкостенные металлические трубки дрейфа (аналогично рис. 1),

4 - конфигурация силовых линий электрического поля (аналогично рис. 1),

5 - постоянные магниты (аналогично рис. 1),

6 - конфигурация силовых линий мультипольного магнитного поля (аналогично рис. 1).

Пример реализации.

Представленный в заявке инжектор для ускорителя кластерных ионов обеспечивает формирование и транспортировку пучков кластеров, извлеченных (экстрагированных) из плазмы нескольких ИИ.

На рис. 1 и рис. 2 показаны схемы, поясняющие конструкцию и особенности работы инжектора для ускорителя кластерных ионов.

Предложенный инжектор состоит из корпуса 1, в который установлены обечайки 2 из диэлектрического материала и в каждой обечайке выполнены апертуры, соосные с соответствующими апертурами в соседних обечайках, диаметры которых уменьшается по направлению от ИИ 9 к ускоряющей ВЧ системе 7. В апертуры всех обечаек установлены тонкостенные металлические трубки дрейфа 3 таким образом, чтобы между соответствующими трубками дрейфа соседних обечаек существовал зазор, и диаметр трубок дрейфа соответствовал диаметру апертур в обечайках. Причем, все трубки дрейфа 3 на каждой обечайке 2 электрически соединены между собой и с отдельным блоком питания (БП) 8. Эти источники электропитания формируют различные по величине электрические напряжения, в результате этого возникает разность электрических потенциалов в зазорах между трубками дрейфа 3 соседних обечаек 2. Наличие разности электрических потенциалов приводит к формированию в зазоре между трубками дрейфа «провисающего» в сторону центральной аксиальной оси зазора электрического поля. Конфигурация силовых линий 4 которого, на примере одного зазора в каждом канале, показана на рис. 1. В остальных зазорах конфигурация силовых линий электрического поля будет аналогичной. Каждая апертура с трубками дрейфа 3 начальной обечайки соединена с отдельным источником кластерных ионов ИИ 9. В зазорах между обечайками 2, вокруг трубок дрейфа 3, симметрично центральной продольной оси зазоров, на одном и том же расстоянии от поверхности трубок дрейфа установлены шесть постоянных магнитов 5. Эти магниты электрически изолированы от трубок дрейфа 3 и сходятся в зазорах между обечайками 2, в направлении от ИИ 9 к ускоряющей ВЧ системе 7, от предшествующей по ходу, трубки дрейфа 3, к последующей трубке дрейфа 3 другой обечайки. Постоянные магниты 5 сдвинуты в пространстве по окружности относительно друг друга на 60 градусов таким образом, чтобы внутри трубок дрейфа и в зазоре между ними существовало мультипольное магнитное поле, плоскость силовых линий 6 которого в пространстве перпендикулярна электрическому полю 4, рис. 2. Конфигурация силовых линий электрического поля 4 и мультипольного магнитного поля 6, величина которого на центральной аксиальной оси зазора между трубками дрейфа 3 равна нулю и резко нарастает вблизи поверхности магнитов бив зазорах между ними, показана на рис. 2.

В результате применения предложенной суперпозиции силовых полей, кластерные ионы пучка, инжектированного ИИ, магнитным давлением с нарастающим радиальным градиентом от центра к периферии вытесняются в область аксиальной центральной оси зазоров в каждом канале. В приосевой области зазоров они ускоряются и дополнительно фокусируются «провисающим» в сторону центральной оси электрическим полем. Данные факторы заставляют пучок кластерных ионов занимать пространственное положение канала для дрейфа в области центральной оси зазоров, свободной от магнитного поля. Регулировкой положения секступольных блоков из постоянных магнитов относительно расстояния до трубок дрейфа на протяжении каждого отдельного канала, возможно корректировать направление движения инжектированных ИИ пучков кластерных ионов по этому каналу в требуемом направлении. Мультипольное магнитное поле 6, проникающее внутрь трубок дрейфа 3, способствует уменьшению радиального разлета заряженных частиц внутри этих трубок дрейфа, рис. 1.

За счет применения способа увеличения тока пучка кластерных ионов, реализованная путем предложенных особенностей конструкции инжектора для ускорителя кластерных ионов, заключается в наличии градиента плотности мультипольного магнитного поля в направлении от ИИ к ускоряющей ВЧ структуре, создающего поперечную компрессию пучка в данном направлении. Величину этой компрессии можно изменять путем подбора постоянных магнитов с различными магнитными характеристиками и установкой их на различном расстоянии от трубок дрейфа в зазорах между обечайками, в зависимости от типа ускоряемых кластеров. Поскольку диаметры соответствующих трубок дрейфа 3 в соседних обечайках уменьшаются по ходу пучка кластеров, то поверхности постоянных магнитов 4 в зазорах между обечайками 2, также приближаются к центральной аксиальной оси зазора между трубками дрейфа 3, уменьшая в направлении к этой оси диаметр пространства занимаемого магнитным полем, рис. 1. Возникающее в результате этого «обжатие» пучка происходит на всей протяженности его траектории, в направлении от ИИ 9 к ускоряющей ВЧ системе 7 и во всех каналах, рис. 1. Увеличение плотности магнитного поля в приосевой области пространства по данному направлению способствует более эффективному вытеснению кластерных ионов из зоны периферии в область центральной аксиальной оси зазора между трубками дрейфа. Этот эффект усиливается по мере приближения кластеров к ускоряющей ВЧ системе, способствуя уменьшению поперечных размеров ионного пучка и росту плотности кластерных ионов в пучке на выходе каждого канала.

Перечисленные выше факторы способствуют инжекции кластеров и позволяют эффективно осуществлять ввод кластеров, экстрагированных из разнесенных в пространстве ИИ, в ускоряющую ВЧ систему ускорителя.

Предложенный инжектор для ускорителя кластерных ионов обеспечивает одновременную экстракцию заряженных частиц из плазмы нескольких источников кластерных ионов, формирование их в ионные пучки, ускорение, компрессию этих пучков и их ввод в ускоряющую ВЧ структуру ускорителя. Конструкция инжектора содержит несколько разнесенных в пространстве каналов, входная апертура каждого из которых соединена с отдельным источником кластерных ионов. Процесс формирования ионного пучка, ускорения, фокусировки и изменения траектории его движения для заряженных частиц с большой массой и малым электрическим зарядом при помощи электрического поля связан с необходимостью создания больших напряженностей такого поля. Для более эффективной реализации формирования и ускорения пучков кластерных ионов, в настоящем инжекторе использована комбинация скрещенных силовых полей -аксиально-симметричного электрического поля и мультипольного магнитного поля со сложной конфигурацией силовых линий, рис. 2. Примененная комбинация полей такого типа позволяет как ускорять, так и эффективно удерживать на заданной траектории движения, а также осуществлять радиальную компрессию пучков кластерных ионов в каждом канале для кластеров, обладающих широким диапазоном масс и малым зарядом.

Инжектор для ускорителя кластерных ионов может быть использован в области ускорения заряженных частиц с большой массой и с малым электрическим зарядом, а именно, при создании ускорителей кластерных ионов для применения в областях ядерной энергетики, решения проблем управляемого термоядерного синтеза и для изучения свойств материи при сверхвысокой плотности энергии. В инжекторе для ускорителя кластерных ионов реализована одновременная экстракции заряженных частиц из плазмы нескольких источников кластерных ионов по нескольким каналам, формирование ионных пучков, ускорение их, компрессию и ввод в ускоряющую ВЧ структуру ускорителя. Данный инжектор содержит несколько разнесенных в пространстве каналов, входная апертура каждого из которых соединена с отдельным источником кластерных ионов. Процесс формирования ионного пучка, ускорения, фокусировки и изменения траектории его движения, для заряженных частиц с большой массой и малым электрическим зарядом при помощи только электрического поля, связан с необходимостью создания больших напряженностей такого поля. Для более эффективной реализации процессов формовки и ускорения пучков кластерных ионов, в настоящем инжекторе использована комбинация скрещенных силовых полей: аксиально-симметричного электрического поля и мультипольного магнитного поля со сложной конфигурацией силовых линий. Примененная комбинация полей такого типа, позволяет как ускорять, так и эффективно удерживать на заданной траектории движения, а также осуществлять радиальную компрессию пучков кластерных ионов в каждом канале для кластеров, обладающих широким диапазоном масс и малым зарядом. Суперпозиция электрического поля и мультипольного магнитного поля, позволяет уменьшать поперечные размеры ионного пучка, увеличивать площади апертур для экстракции кластерных ионов из ИИ и способствует увеличению тока в пучке кластерных ионов с различной массой на выходе ускорителя.

В предложенном примере инжектор установлен в ускорителе между генераторами плазмы и его ускоряющей ВЧ системой, рис. 1, и работает следующим образом. Кластерные ионы, экстрагированные из плазмы ИИ 9, попадают на вход каналов данного инжектора через ускоряющие трубки 3, рис. 1. Тонкостенные металлические трубки 3, установлены в апертурах обечаек 2, которые в данном устройстве выполненных из керамики и размещены в корпусе 1, в пространстве между ИИ 9 и входом в ускоряющую ВЧ систему 7, рис. 1. Диэлектрический материал обечаек 2 позволяет локализовать электрическое поле строго в зазорах между трубками дрейфа 3. Все трубки дрейфа 3, находящиеся на одной обечайке 2, электрически соединены между собой и с отдельным источником электропитания стандартного типа (БП) 8, рис. 1. Источники электропитания 8 генерируют электрические потенциалы различной величины. В результате их различия, в зазорах между трубками дрейфа 3 соседних обечаек 2, возникает ускоряющее пучок кластерных ионов электрическое поле, силовые линии 4 которого «провисают» к центральной продольной оси этих зазоров, рис. 1. На данном рисунке показан ход силовых линий электрического поля только для одного зазора в каналах. В других зазорах между соответствующими трубками дрейфа 3 он будет аналогичным.

Размеры апертур в трубках дрейфа 3, соединенные с ИИ 9 во всех каналах начальной обечайки, превосходят соответствующие параметры апертур в трубках дрейфа последующих обечаек, в том числе и трубок дрейфа, соединенных с ускоряющей ВЧ системой 7. Реализованная в конструкции данного инжектора архитектура каналов позволяет увеличивать площадь для экстракции кластерных ионов из плазмы ИИ 9 и способствует росту величины тока пучка кластеров в каждом канале. Последовательное уменьшение площади апертур в трубках дрейфа 3 до необходимых значений, требуется для согласования параметров пучка кластеров на выходе каждого канала с величиной апертуры соответствующего канала в ускоряющей ВЧ системе 7. Реальные габариты ИИ 9, зачастую, требуют взаимного разнесения в пространстве апертур на входных трубках дрейфа 3 начальной обечайки 2, рис. 1. Это диктует необходимость соответствующей корректировки траектории движения заряженных частиц в каждом отдельно взятом канале.

Поскольку подвижность кластерных ионов в электрическом поле, из-за их большой массы и малого электрического заряда, мала, то для эффективного удержания кластеров на заданной траектории движения, ее коррекции и уменьшения геометрических размеров пучка кластерных ионов в каждом канале требуется производить не только его фокусировку, но и радиальное обжатие пучка кластеров. Для этого в предложенном изобретении, кроме фокусировки заряженных частиц электрическим полем, для усиления силового воздействия на них в трубках дрейфа 3 и в зазорах между соответствующими трубками дрейфа создано мультипольное магнитное поле 6, рис. 1. Данное магнитное поле формируется в каждом зазоре между трубками дрейфа 3 соседних обечаек 2, при помощи секступольного блока постоянных магнитов 5. Во всех каналах постоянные магниты 5 электрически изолированы от трубок дрейфа 3, установлены между соседними обечайками 2, на одинаковом расстоянии от стенок трубок дрейфа 3, рис. 1. В каждом секступольном блоке постоянные магниты 5 сдвинуты по окружности относительно друг друга на 60 градусов таким образом, чтобы внутри всех трубок дрейфа 3, и в зазорах между ними было сформировано мультипольное магнитное поле со сложной конфигурацией силовых линий 6, рис. 2. Как видно на рис. 2, величина данного магнитного поля 6 на центральной продольной оси зазоров близка к нулю и резко нарастает вблизи поверхности постоянных магнитов бив зазорах между этими магнитами. Поскольку плоскость в которой лежат силовые линий магнитного поля 6 перпендикулярна силовым линиям электрического поля 4, рис. 2, то радиальное отклонение кластеров от основного направления движения, задаваемого электрическим полем 4, компенсируется силами радиального давления магнитного поля 6, возникающего из-за наличия радиального градиента плотности мультипольного магнитного поля 6 в зазорах между и внутри трубок дрейфа 3.

Поскольку диаметры трубок дрейфа 3 соседних обечаек 2 уменьшаются в направлении от ИИ 9 к ускоряющей ВЧ системе 7, рис. 1, а противоположные торцевые концы постоянных магнитов 5 установлены на одинаковом поперечном расстоянии от боковой поверхности соответствующих трубок дрейфа 3, то в результате, расстояние между центральной продольной осью зазоров в каналах и поверхностью магнитов секступоля уменьшается в том же направлении, рис. 1. Примененное конструктивное решение приводит к возникновению нового физического свойства, способствующего удерживанию на траектории движения пучка кластерных ионов, а именно, росту величины пространственной плотности мультипольного магнитного поля в направлении от трубок дрейфа начальной обечайки к трубкам дрейфа последующих обечаек, во всех зазорах между обечайками. Такой характер изменения величины мультикаспового магнитного поля между обечайками в направлении от ИИ к ускоряющей ВЧ системе, способствует возникновению радиальной компрессии пучка кластеров на траектории его движения по каналу. Это приводит к соответствующему росту плотности заряженных частиц в пучке кластеров при уменьшении площади его поперечного сечения.

Ансамбль кластерных ионов, инжектированных ИИ 9, продрейфовав через трубку дрейфа 3 в начальной обечайке 2, ускоряется в электрическом поле 4 зазора между данной трубкой дрейфа и трубкой дрейфа в следующей обечайке, рис. 1. В этом же зазоре, пучок кластеров подвергается электростатической фокусировке, возникающей в результате провисания силовых линий электрического поля 4 в направлении центральной аксиальной оси зазора, рис. 1. Аналогичный эффект с электростатической фокусировкой действует и в других зазорах для всех каналов.

Способы фокусировки пучков заряженных частиц электрическим полем широко известны в ускорительной технике (см, например, С.И. Молоковский, А.Д. Сушков. Интенсивные электронные и ионные пучки. ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ. Москва. 1991. С. 28-91). Иммерсионный способ электростатической фокусировки действует в результате симметричного провисания сходящихся к центральной оси зазора силовых линий электрического поля в области между трубками дрейфа. Суть эффекта данной фокусировки в том, что на ионы, вышедшие из первой трубки дрейфа, электрическое поле действует с силами различной направленности при пролете первой и второй половинок этого зазора. Совпадающая с направлением центральной аксиальной оси зазора составляющая этой силы ускоряет ионы на всем протяжении зазора. Ее составляющая, ортогональная данной оси, на первой половине зазора смещает ионы в сторону его центральной оси, вызывая эффект фокусировки. На второй половине данного зазора она отклоняет ионы в противоположную сторону, дефокусируя пучок. Так как кластерные ионы в первой половине зазора обладают меньшей скоростью, чем во второй, и затрачивают на ее прохождение большее время, чем время прохождения второй половины зазора, которую они проходят с уже большей скоростью, постоянно испытывая ускорение на всем промежутке между трубками дрейфа от действия осевой составляющей силы, то в результате суммарного действия перечисленных выше факторов в зазоре между смежными трубками дрейфа, возникает эффект фокусировки пучка заряженных частиц. Разность электрических потенциалов в зазорах между трубками дрейфа выбирается такой величины, чтобы обеспечить максимально возможное попадание кластеров в соответствующую трубку дрейфа последующей обечайки. Такая электростатическая фокусировка повторяется во всех зазорах каждого канала и действует во всех каналах данного изобретения.

Анализ возможности использования одноканальных ускорителей с ВЧ электрическим полем для фокусировки, транспортировки, и ускорения кластерных ионов показал, что их эффективное применение возможно для кластеров с величиной массы до ~10³ атомных единиц массы (а.е.м.) (В.В. Окороков, И.В. Чувило. ИТЭФ Препринт №86-108. М. 1986. Е.В. Майоров, В.В. Окороков. ПТЭ №5, с. 5-8. 2000). Для фокусировки и транспортировки более тяжелых кластерных ионов требуется электрическое поле с большой величиной напряженности, создать которое в инжекторе технически затруднительно.

Практика показывает, что одного метода электрической фокусировки для эффективного удерживания на требуемой траектории движения частиц с массой более 10³ а.е.м и малым электрическим зарядом недостаточно. В настоящем изобретении использован способ для удержания кластеров от радиального разлета и продольной фокусировки пучка с дополнительной помощью мультипольного магнитного поля сложной конфигурации.

Как известно для удерживания заряженных частиц в заданной области применяется мультипольное магнитное поле с нарастающей по радиусу величиной напряженности поля в направлении от центра области к периферии (Семашко Н.Н., Владимиров А.Н., Кузнецов В.В. и др. Инжекторы быстрых атомов водорода. М.: Энергоиздат, 1981. С. 86-88). Движущаяся перпендикулярно силовым линиям мультипольного магнитного поля заряженная частица после ряда осцилляций выталкивается магнитным давлением из области периферии в область, свободную от магнитного поля.

Частицы с зарядом q при движении со скоростью , перпендикулярной к направлению магнитного поля с магнитной индукцией В, испытывает действие силы F, перпендикулярной как скорости частицы, так и магнитному полю. Величину этой силы можно определить по формуле

Согласно этой формуле, кластерные ионы из ИИ, прошедшие через трубку дрейфа в начальной обечайке, ускоряясь в зазорах между последующими трубками дрейфа, будут всегда двигаться перпендикулярно мультипольному магнитному полю и, согласно (1) под действием нарастающей величины силы F вытесняться в центральную область, где величина этого поля минимальна. Совместное действие двух сил: ускоряющей пучок зарядов силы электрического поля и давления на его кластеры с силой F магнитным полем В, ортогональной центру области свободной от магнитного поля, с учетом нарастающей по мере движения заряженной частицы от ИИ к ускоряющей ВЧ системе величине скорости , согласно (1) увеличивает действие силы F на кластерный ион, способствуя усилению эффекта удержания кластеров в зоне с минимальной величиной магнитного поля. Ход траектории пучка кластеров возможно корректировать путем изменения расположения магнитов в пространствах между обечайками 2 относительно трубок дрейфа 3. Совместное действия эффектов фокусировки заряженных частиц в пучке электрическим полем и его удерживание в заданном пространстве при помощи магнитного поля предложенной конфигурации, позволяет корректировать направление траекторий для каждого канала, чтобы обеспечить возможность соответствующего размещения на начальной обечайке требуемое количество источников кластерных ионов. Подбором постоянных магнитов с различными магнитными характеристиками (например, магнитной силой) и регулировкой удаленности их торцевых оконечностей от трубок дрейфа на обечайках обеспечивается возможность изменения степени удерживания на траектории движения кластерных ионов в зазорах между обечайками, что расширяет диапазон масс кластеров для возможности их эффективного ускорения.

Реализованное в предложенном изобретении расположение магнитов 5 с последующим приближением их поверхности к продольной оси пространства, свободного от магнитного поля, рис. 1, формирует градиент увеличения В (индукции) такого магнитного поля в каждом канале по направлению от ИИ 9 к ускоряющей ВЧ системе 7. Наличие такого градиента, наряду с ростом величины в направлении движения пучка кластеров, приводит согласно (1) к росту величины силы F, увеличивающей радиальную компрессию пучка кластерных ионов в процессе его движения, и к появлению эффекта дополнительного удерживания этого пучка на траектории движения. Реализованная в предложенном инжекторе для ускорителя кластерных ионов возможность уменьшения площади поперечного сечения пучка этих ионов до необходимых значений, при помощи нарастающей величины в области траектории его движения, в направлении от ИИ к ускоряющей ВЧ системе напряженности мультикаспового магнитного поля, способствует вводу пучков кластерных ионов из разных каналов инжектора в соответствующую апертуру канала ускоряющей ВЧ системы. Такой алгоритм уменьшения геометрических размеров в пространстве, занимаемом пучком кластерных ионов, повторяется во всех зазорах на протяжении каждого канала и действует во всех каналах данного инжектора.

Раскрытые в предложенном изобретении особенности конструкции инжектора для ускорения кластерных ионов и реализованный с их помощью способ одновременной экстракции кластерных ионов в режим ускорения с большой площади плазменной поверхности из нескольких ИИ, их ускорение, фокусировка, удерживание на различных траекториях движения в пространстве и радиальная компрессия с увеличение плотности заряженных частиц в пучке, наряду с многоканальностью предлагаемого инжектора для ускорителя кластерных ионов, являются факторами, которые:

- способствуют увеличению тока пучка кластерных ионов на выходе ускорителя, усилению их фокусировки и удержанию от потерь кластеров при транспортировке;

- расширяют диапазон масс кластеров, пригодных для их эффективного ускорения, тем самым обеспечивая оптимальные параметры для их ввода из инжектора для ускорителя кластерных ионов в ускоряющую ВЧ систему ускорителя.

Конструкция инжектора для ускорителя кластерных ионов отличается простотой изготовления и надежностью работы.

Изобретение относится к области ускорителей заряженных частиц с большой массой и с малым электрическим зарядом и может использоваться при создании ускорителей кластерных ионов для применения в областях ядерной энергетики, решения проблем управляемого термоядерного синтеза и для изучения свойств материи при сверхвысокой плотности энергии. Технический результат - увеличение тока в пучке кластерных ионов с различной массой на выходе ускорителя. В инжекторе для ускорителя кластерных ионов реализована одновременная экстракция заряженных частиц из плазмы нескольких источников кластерных ионов по нескольким каналам, формирование ионных пучков, ускорение их компрессии и ввода в ускоряющую ВЧ структуру ускорителя. Инжектор содержит несколько разнесенных в пространстве каналов, входная апертура каждого из которых соединена с отдельным источником кластерных ионов. В инжекторе использована комбинация скрещенных силовых полей: аксиально-симметричного электрического поля и мультипольного магнитного поля со сложной конфигурацией силовых линий. 2 ил.

Инжектор для ускорителя кластерных ионов, содержащий обечайки, в которых выполнены апертуры, соосно-сходящиеся к его центральной оси, в направлении от источника ионов (ИИ) к ускоряющей высокочастотной (ВЧ) системе, с диаметрами, уменьшающимися по мере приближения обечаек к указанной ВЧ системе, отличающийся тем, что обечайки в нем выполнены из диэлектрического материала, и каждая апертура на ближайшей к источнику кластерных ионов обечайке соединена с выходом соответствующего источника кластерных ионов и во все апертуры всех обечаек установлены тонкостенные металлические трубки дрейфа таким образом, чтобы между соответствующими трубками дрейфа соседних обечаек существовали зазоры, причем диаметр каждой трубки дрейфа должен соответствовать диаметру апертуры в данной обечайке, при этом все трубки дрейфа на каждой обечайке электрически соединены между собой и с отдельным источником электропитания, а между обечайками, симметрично центральной продольной оси зазоров между трубками дрейфа, вокруг этих трубок дрейфа, на одинаковом расстоянии от стенок трубок дрейфа, установлены по шесть постоянных магнитов, электрически изолированных от трубок дрейфа и сдвинутых по окружности относительно друг друга на 60 градусов так, чтобы в трубках дрейфа и в зазорах между ними существовало мультипольное магнитное поле, величина которого на центральной продольной оси зазоров равнялась нулю и резко нарастала вблизи поверхностей постоянных магнитов и в зазорах между ними.