Способ получения многозарядных ионов Советский патент 1984 года по МПК H01J27/00 

Изобретение относится к источникам ионов и может быть использовано при разработке инжекторов многозарядных ионов ускорителей заряженных частиц. Известны способы получения многозарядиых ионов, включающие зажигание разряда в паре- или газообразной среде ионизируемого вещества с последующим извлечением ионов из плазмы электрическим полем. По типу разряда источники многозарядных ионов делятся на дурплазмотроны, дуопигатроны, источники Пеннинга и др. 1. В указанных источниках образование мнО гозарядных ионов происходит путем ионизации электронным ударом средних и тяжелых атомов в газоразрядной плазме. Основными параметрами, определяющими возможности разных типов источников с точки зрения получения ионов высоких зарядностей, являются энергия электронов Те, их концентрация Пр и время удержания ионов с данным зарядом в ионизационной камере Гу. В традиционных газоразрядных источниках типа Пеннига фактор ионизации Пр Ту не превосходит величины 10 -10 с.м- с, что не позволяет получить в них ионы с зарядностью . Новые источники многозарядных ионов: лазерные, электронно-циклотронные, электронно-лучевые характеризуются высокой энергией электронов, но имеют относительно низкий фактор ионизации , что накладывает ограничения на токи эмиссии этих источников на уровне мА при зарядности . Наиболее близким к предлагаемому является способ получения многозарядных ионов, включающий введение ионизируемого вещества в плазму и отбор многозарядных ионов электрическим полем. В известном способе электроны высокой энергии инжектируются в газоразрядную камеру с сильным продольным полем. Введенное вещество ионизуется этими электронами, а ионы отбираются электродом, установленном со стороны, противоположной инжекции пучка. Для получения ионов высокой зарядности используют пучки электронов с энергией несколько килоэлектрон-вольт и более. Благодаря сильному магнитному полю (используются сверхпроводящие катущки) и отбору холодных электронов удается добиться высокой степени зарядности при низкой интенсивности пучка ионов 2J. Цель изобретения - повышение интенсивности и зарядности пучка ионов. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу получения мно1озарядных ионов, включающем введение ионизируемого BeuiecTBa в плазму и отбор многозарядных ионов электрическим полем, ионизируемое вещество вводят в тороидальный щнур высокотемпературной плазмы легких газов с петлей на периферии, а отбор ионов произВОДЯТ с поверхности плазменного щнура. петли. Ионизируемое вещество вводят в плазму в количестве, при котором излучаемая веществом мощность не превыщает мощности, подводимой к плазменному щнуру. Предлагаемый способ реализуется с помощью устройства, содержащего ионизационную камеру с отбирающим ионы электродом и систему формирования пучка, причем ионизационная камера выполнена в виде тороидальной магнитной ловушки с дивектором, а отбирающий электрод помещен в камеру дивертора. На фиг. 1 приведены стационарные радиальные профили концентрации; на фиг. 2 - то же, потоков многозарядных ионов железа различной зарядности {от +10 до +17); на фиг. 3 - относительное зарядное распределение выходящих потоков ионов железа на радиусе диафрагмы- токамака: р ,; на фиг. 4 - изменение во времени потока ионов железа различной зарядности при инжекции в плазменный щнур крупинки железа диаметром 50 мкм; на фиг. 5 - принципиальная схема источника многозарядных ионов. Источник содержит ионизационную камеру 1 в виде тороидальной магнитной ловущки с магнитной системой 2, частично изображенной на чертеже, дивертор 3, например, петлевой бандл-дивертор с магнитной системой 4. В конце дивертора установлен отбирающий электрод 5. Линиями 6 показан ход силовых линий магнитного поля на периферии плазменного шнура (не обозначен), образующих петлю шнура в диверторе. Способ осуществ.1яют следующим образом. Известным путем в тороидальной ловушке образуют шнур высокотемпературной ( кэВ) плазмы легких газов, в которую вводят ионизируемое вещество. Эксперименты на тороидальных установках показывают, что многозарядные ионы, которые образуются в плазме в течение разряда, не накапливаются в центре шнура, а диффундируют наружу и достигают границы плазмы раньше, чем полиостью рекомбинируют. Введение ионизируемого вещества- в плазму можно осуп1ествить разными способами: нанося его на диафрагму, распыляя крупинки в разрядной камере вне объе.ма плазмы или вводя их внутрь шнура. Если для источника ионов выбрать токамак средних масштабов с параметрами а 10 см, R 50 см, Вт 30 кГс, g 5/0 где а и R- малый и большой радиусы тора; тороидальное магнитное поле; g (оэффициент запаса устойчивости, то вре1я жизни ионов в объеме плазмы, оцененое по известным скейлингам, оказывается

порядка f, I-5 ML „,r средней плотности плазмы - hlO см. Этс позволяет получить значение фактора ионизации на уровне Пе, 1-10 -5 10 см-с

Скейлинг для электронной температуры в центре плазменного шнура токамака с параметрами (I) приводит к значению Те(0)0,5 кэВ. При такой температуре и высоком факторе ионизации примесь железа ионизуется до состояния z«sl8, а примесь молибдена и вольфрама до состояний с и соответственно.

Допустимый уровень концентрации примесей в экспериментах на установках токамак определяется условиями энергобаланса в центральной части плазменного шнура. Мощность потерь на излучение ионизируемого вещества не должен превышать определенной доли (30°/о) вкладываемой мощности. При большей доле мощности излучения преимущество ввода ионизируемого вещества в плазму легких газов пропадает в связи с ее резким охлаждением. В токамаке с параметрами (1) вкладываемая при омическом нагреве удельная мощность составляет величину 1 Втсм . Следовательно, в таких установках удельная мощность радиационных потерь не должна превыщать 0,3 Вт-см во избежание переохлаждения плазмы. Тогда допустимую концентрацию вещества находит из соотношения Qpa 5рад ПеПг,) где Ррад-- удельная мощность радиационных потерь; Пе - концентрация электронов; п, - концентрация примесей в плазме; 5рал - скорость излучения энергии (ВтСм). В частности, для железа при .б кэВ 5рдл 5-,10 Bтcм Подставляя это значение 5рал в соотношение (2), ДЛЯ плазмы с концентрацией электронов получим допустимую концентрацию железа Пр 1-10 см. Отметим, что в токамаке Т-10 в режиме омического нагрева регистрируется предельная концентрация железа в плазме см, при превышении которой наблюдается охлаждение плазмы в центре шнура. В экспериментах на этой же установке измерены скорости поперечной диффузии многозарядных ионов Аг , которые оказались на уровне V (4-5)-10 . Эти данные позволяют оценить величину удельного потока многозарядных ионов железа на стенку камеры: Гр, « 5-10 см с. Применение наряду с омическим дополнительных методов нагрева (инжекция нейтралов высокой энергии, ВЧ-нагрева) позволит повысить допустимую концентрацию примесей и увеличить выходящий поток многозарядных ионов. Для более точной оценки интенсивности и зарядового состава выходящего потока

проведено решение системы уравнений диффузий примесей в токамаке.

Расчеты проводятся для установки г параметрами (1) при радиусе диафрагмы а 8 см, Те(0) 0,5 кэВ и Пе(0) 5 X X 10 см. На фиг. 1 и 2 приведены стационарные радиальные профили концентрации и потоков многозарядных ионов железа. Их источником служит поток атомов железа, поступающий со стенки на границу плазмы. На фиг. 3 показано парциальное зарядовое распределение выходящих потоков ионов железа нз радиусе диафрагмы; Р Видно, что на долю ионов с зарядностью Z 10 приходится около полного потока. При повьппении Те(0) до 0,7 кэВ эта доля возрастает до 30%.

Если источник железа поместить вр)утрь шнура, то доля высокоионизованных ионов в выходящем потоке увеличивается. На фиг. 4 показаны временные зависимости выходяших на радиусе диафрагмы потоков ионов железа при инжекции малой крупинки железа (диаметр крупинки SO мк) в 1ентральную часть плазменного шнура При Те(0) 0,7 кэВ. Время отсчитывается от момента инжекпии крупинки. В случае внутреннего источника ионизируемого вещества до 80% ионов железа выходит с зарядршстью Z 10. Для вывода примесных ионов с поверхности плазменного шнура тороидальная магнитная ловушка дополняется известным устройством - магнитным дивертором. Дивертор выполняет две фуржции: он собирает поток плазмы и примесших ионов во всей поверхности плазменного гпнура и отводит поток плазмы за пределы тороидальной камеры, в область сунхественно меньшего магнитного поля (В 10 кГс). Диверторный объем, заполненный плазмой и расположенный за пределами тороидальной ловушки, является эмиттером многозарядных ионов, которые извлекаются, формируются известным, применяемым во всех плазменных источниках, способом - с помощью отбирающих и фокусирующих электродов, сепаратора, линз и далее по ионопроводу доставляются в ускоритель тяжелых ионов. В токамаке с параметрами (1) ток ионов железа с Z 10-16, поступакицмй в дивертор, мо1(.р Гр, Sze жет достигать величшп, 1 А. Использование изобретения позволит попучить высокоэнергичныо интенсивные пучки многозарядных ионоп при существенно меньших габаритах ускоритс.гей тяжелых ионов, что даст экономию при рощепим ряда научных и прикладных .чаллч, в числе которых: синтез трансурановых .1ементов, изготовление прецизионных ялерпых фильтров, ионная радиография и радиотерапия.

+ 16

г

10 г см

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ Д ПОГОЗАРЯДНЫХ ИОМОВ, включающий введение и;и)низу(Л10го всщестпа ч плазму и отбор миогозарялпь1Х ионов электрическим полем, отличающийся тем. что, с 1ельк) повышения .имтенсипности и зарядностигпчка ионов, 1 О1 изуемое (кчцество вводят в тороидальн)1Й П1нур высокотемпературной плазмы легких -аз()в с петле ; на периферии, я отбор ионов производит с поверхности плазмен ого innypa петли. 2. Способ го п. I, отличающийся тем, что ионизуемое вещество вводят в плазму в таком количестве, при котором мощность, излучаемая ионизуемьп веп еством, не превышает мощности, подводимой к плазменному iHHypy. .fu г,сн Фи1.1

2.0 0

S

1015

Фиг.З

ZO

ZS i