СПОСОБ ИНЖЕКЦИИ ПОТОКА ВЕЩЕСТВА В ПЛАЗМУ ИСТОЧНИКА МНОГОРАЗРЯДНЫХ ИОНОВ Российский патент 2023 года по МПК H01J27/16 

Предлагаемое изобретение относится к области ускорительной техники и техники получения пучков многозарядных ионов, а именно, к методам инжекции потока атомов (молекул) вещества в ионный источник на основе электронно-циклотронного резонанса (ЭЦР-источник) для получения пучка многозарядных ионов.

Актуальность решаемой технической проблемы основана на следующем. Для экспериментов по синтезу и изучению свойств сверхтяжелых элементов требуется получение высокоинтенсивных пучков ускоренных тяжелых ионов. Необходимо получать пучки нейтронно-обогашенных изотопов таких элементов как кальций (⁴⁸Са), титан (⁵⁰Ti), хром (⁵⁴Cr), ванаднй (⁵¹V) и ряда других. Эти изотопы являются крайне дорогостоящими ввиду их малого содержания в природных образцах (например, содержание изотопа ⁴⁸Са составляет 0.02%). Поэтому эффективное использование рабочего вещества при получении пучков многозарядных ионов является одним из ключевых моментов в экспериментах по синтезу сверхтяжелых элементов. Кроме того, эти элементы не имеют газообразных соединений (твердые вещества), что приводит к необходимости использования специальных устройств и методов для инжекции (ввода) атомов (молекул) рабочего вещества в плазму ЭЦР-источника.

Из уровня техники известен способ инжекции атомов твердого вещества (например, кальция) в плазму ЭЦР-источника многозарядных ионов, согласно которому рабочее вещество помешается в испаритель, расположенный на границе ионизационной камеры источника (R. Geller. P. Ludwig and G. Mulin RSI, 1992, v. 63. N4, p. 2795-2800; V.B. Kutner, S.L. Bogomolov, A.A. Efremov et al. RSI. 2000, v. 71, N2. p. 860-862). Испарение атомов рабочего вещества в ионизационную камеру источника происходит при достижении необходимой температуры испарителя, зависящей от свойств испаряемого вещества.

При этом испарение частиц происходит изотропно с энергетическим распределением, соответствующим температуре испарения (~75 мэВ).

Изменение температуры испарителя приводит как к изменению энергетического распределения испаряемых частиц, так и к изменению их количества.

Недостатком вышеописанного метода является недостаточно высокая эффективность использования рабочего вещества из-за невозможности независимой регулировки энергии инжектируемых в плазму частил и их количества, что приводит к повышенным потерям дорогостоящего рабочего вещества с высокой степенью изотопного обогащения.

Задачей авторов изобретения является разработка оптимального и эффективного способа инжекции атомов рабочего вещества в ЭЦР-источник многозарядных ионов.

Технический результат, обеспечиваемый при использовании описываемого способа, заключается в увеличении тока извлекаемых многозарядных ионов и увеличении эффективности использования рабочего вещества примерно в 2 раза, по сравнению с прототипом.

Указанные задача и технический результат обеспечиваются тем. что в отличие от известного способа прототипа инжекции вещества, в котором рабочее вещество помещают в испаритель, где при достижении необходимой для испарения рабочего вещества температуры испарителя его испаряют и направляют в ионизационную камеру источника ионов, согласно предлагаемому способу, испаренное рабочее вещество преобразуют в однозарядные ионы, и затем инжектируют в плазму ЭЦР источника многозарядных ионов по оси цилиндрической камеры в виде направленного потока однозарядных ионов с энергией 1±0.2 эВ и анизотропным угловым распределением частиц с угловой расходимостью не более ±0.2°.

Заявляемое изобретение поясняется следующим образом.

Для экспериментов по синтезу и изучению свойств сверхтяжелых элементов в качестве источника многозарядных ионов используется источник на основе эффекта электронного циклотронного резонанса (ЭЦР-источник). Система инжекции рабочих веществ источника ионов состоит из двух независимых подсистем: системы подачи газов и системы подачи твердых веществ. Система подачи газов состоит из двух каналов: канала подачи основного газа и канала подачи вспомогательного газа. Система подачи твердых веществ включает в себя механизм подачи твердых веществ, держатель и микропечь или распыляемый электрод. Микропечь или распыляемый электрод крепятся на держателе, который обеспечивает ввод рабочего вещества в ионизационную камеру. Микропечь с находящимся внутри контейнером с рабочим веществом обеспечивает его испарение в ионизационную камеру. С целью получения ионов тугоплавких веществ используется метод прямого испарения, когда образец помещается внутрь плазмы и его температура зависит от глубины погружения и режима работы источника, или метод катодного распыления, когда на образец подается отрицательный относительно плазмы потенциал (до 3 кВ) и происходит распыление образца ускоренными ионами плазмы. В обоих случаях требуется достаточно точная установка образца в рабочую точку и регулировка его положения в процессе работы.

При этом способ инжекции исходного вещества, точка ею введения, энергия инжектируемых частиц и другие параметры прямо влияют на величину тока получаемого пучка тяжелых ионов и соответственно на эффективность использования исходного вещества.

На фиг. 1 схематично изображен вариант для реализации известного способа, где 1 - испаритель (стрелками показан изотропный поток нейтральных атомов); 2 - разрядная камера ЭЦР источника; 3 - эмиссионное отверстие.

На фиг. 2 схематично изображен вариант для реализации предлагаемого способа, где 1 - источник однозарядных ионов (стрелками показан направленный поток однозарядных ионов); 2 - разрядная камера ЭЦР источника; 3 - эмиссионное отверстие.

Согласно теоретическим и экспериментальным исследованиям установлены преимущества расположения зоны инжекции атомов металла относительно оси источника (испаритель расположен на оси камеры, либо со смещением от оси) при одинаковых условиях (плотность плазмы и время жизни ионов и электронов). При изотропной инжекции атомов извлеченные токи ионов остаются одинаковыми как в случае осевой, так и вне осевой инжекции.

Теоретическими и экспериментальными исследованиями установлены границы влияния характера углового распределения (поперечной энергии) инжектируемых частиц на выход многозарядных ионов (а частности, кальция). Показано, что в случае направленной инжекции (поперечная энергия 0.75 мэВ, продольная энергия - 223.5 мэВ для сохранения полной энергии инжектированных атомов) ток ионов Са¹⁰⁺ возрастает до 430 мкА по сравнению с 290 мкА в случае изотропной инжекции с энергией 75 мэВ.

При направленной инжекции значительно больше однозарядных ионов образуются со стороны инжекции вдоль оси источника по сравнению с изотропной инжекцией. Это приводит к формированию внутреннего транспортного барьера для высокозарядных ионов кальция, потоки которых становятся более направленными к экстракционной апертуре. Увеличение эффективности экстракции является результатом направленной инжекции, а также лучшим удержанием высокозарядных ионов.

Внутренний барьер может быть сформирован более эффективно, если вместо нейтральных атомов инжектировать однозарядные ионы с большей энергией, и большей направленностью инжектируемых частиц. Этот метод был исследован при инжекции ионов Са¹⁺ вдоль оси источника при следующих начальных условиях: пучок имеет диаметр 5 мм, скорость ионов направлена вдоль оси источника, энергия ионов варьировалась от 0.25 до 5 эВ (энергии определялись в плоскости инжекции после задерживания потенциалом плазмы ~25 В).

Компьютерным моделированием показано, что существует оптимальная энергия инжекции ионов кальция (1 эВ). при которой извлеченный ток ионов кальция возрастает приблизительно в 2 раза по сравнению с осевой инжекцией нейтральных атомов кальция с относительно низкой энергией 75 мэВ. Эффективность транспорта ионов увеличивается до 72%, тогда как расход кальция становится незначительно больше по сравнению с обычными условиями инжекции - 1.6 мг/час (1.3 мг/час при изотропной инжекции нейтральных атомов), что соответствует 1 мА инжектируемых ионов кальция. При большей энергии инжекции ионов кальция эффективность ионного транспорта уменьшается до 52%, ток ионов Са¹⁰⁺ уменьшается до 0.3 мА. Преимущество описанной схемы инжекции обусловлено не зарядом инжектируемых частиц: инжекция нейтральных атомов с той же энергией и угловым распределением дает приблизительно такие же результаты из-за быстрой ионизации инжектируемого потока. Тем не менее, использование однозарядных ионов позволяет оптимизировать энергию инжекции и угловое распределение инжектируемых частиц.

Таким образом, при использовании предлагаемого способа инжекции вещества в плазму источника многозарядных ионов, достигается новый технический результат, который заключается в увеличении тока извлекаемых многозарядных ионов и увеличении эффективности использования рабочего вещества примерно в 2 раза, по сравнению с прототипом.

Возможность промышленной реализации предлагаемого изобретения может быть проиллюстрирована следующим примером.

Пример 1.

Для облучения мишени из ²⁵²Cf ионами ⁴⁸Са необходимо из ЭЦР источника получить пучок ионов ⁴⁸Са с зарядом от 7+ до 11+ с интенсивностью от 20 до 200 мкА и энергией до 20 кВ×заряд.

Для этого изотоп ⁴⁸Са с обогащением от 60% до 95% помещают в испаритель, который располагают на оси цилиндрической камеры ЭЦР-источника, затем генерируют пучок однозарядных ионов ⁴⁸Са¹⁺ со следующими параметрами: ток ионов - до 1 мА. энергия ионов 1±0.2 эВ, и осуществляют инжекцию вещества в виде направленного потока ионов с энергией 1±0.2 эВ и анизотропным угловым распределением частиц (угловая расходимость не более ± 0.2°).

Расход рабочего вещества при этом составит 1.6 мг/час.

Таким образом, согласно теоретическим и экспериментальным исследованиям, использование предлагаемого способа позволяет достигнуть заявленного технического результата, заключающегося в увеличении тока извлекаемых многозарядных ионов и увеличении эффективности использования рабочего вещества примерно в 2 раза, по сравнению с прототипом.

Изобретение относится к области ускорителей заряженных частиц, а именно к методам получения пучков многозарядных ионов. Технический результат - увеличение интенсивности пучка извлекаемых ионов при сохранении расхода вещества и увеличение эффективности использования вещества. Согласно способу рабочее вещество помещают в испаритель, где при достижении необходимой для испарения рабочего вещества температуры испарителя его испаряют и направляют в ионизационную камеру источника ионов, испаренное рабочее вещество преобразуют в однозарядные ионы, и затем инжектируют в плазму ЭЦР источника многозарядных ионов по оси цилиндрической камеры в виде направленного потока однозарядных ионов с энергией 1±0,2 эВ и анизотропным угловым распределением частиц с угловой расходимостью не более ±0.2°. 2 ил.

Способ инжекции рабочего вещества в плазму источника многозарядных ионов, согласно которому рабочее вещество помещают в испаритель, где при достижении необходимой для испарения рабочего вещества температуры испарителя его испаряют и направляют в ионизационную камеру источника ионов, отличающийся тем, что испаренное рабочее вещество преобразуют в однозарядные ионы и затем инжектируют в плазму ЭЦР источника многозарядных ионов по оси цилиндрической камеры в виде направленного потока однозарядных ионов с энергией 1±0.2 эВ и анизотропным угловым распределением частиц с угловой расходимостью не более ±0.2°.