Способ ускорения заряженных частиц в электронных кольцах Советский патент 1984 года по МПК H05H7/00 

I Изобретение относится к ускорител нон технике, а именно к области уско рения положительных ионов электронны ь«1 кольцами, и может быть использова но для целей изучения физики твердого тепа и исследований ион-атомных столкновений. Известен способ индукционного ускорения электронов в нарастающем во времени магнитном поле, перпендикулярном плоскости вращения электронов,, который реализуется в бетатронах 1 . Недрстатками способа является низ кая эффективность ускорения тяжелых частиц и малая предельная энергия ионов, что связано с малым временем ускорения. Известен способ коллективного ускорения полЪжительных ионов электрон ными кольцами, заключающийся в том, что ускоряемые ионы в сформированном в магнитном поле электронное кольцо поступают с хаотически распределенными как по величине, так и по направлению скоростями (тепловыми) из остаточн го газа в камере ус корит ел я, дал ее произ водят сжатие электронно-ионного в возр стающем во времени магнитном поле коль ца и ускорение его вдол;ц оси симметрии. Преимущества способа в высоком темпе ускорения (5 мэВ/м) и возможности достижения высоких конечных энергий ионов С 2 . Недостатками известного способа являются трубчатая форма пучка ионов выведенных из ускорителя и, соответственно, больщая площадь поперечноного сечения пучка. Цель изобретения - упрощение спос ба ускорения и уменьщение поперечных размеров выведенного из ускорителя пучка ионов. Поставленная цель достигается тем что согласно способу ускорения заряженных частиц в электронньпс кольцах, заключающемуся в инжекции электронов в магнитное поле и формировании электронного кольца, накоплении ионов путем ионизации нейтральных частиц, поступающих в кольцо, и сжатии электронно-ионного кольца в магнитном поле, напряженность которого возрастает во времени, придают нейтральным частицам начальную скорость формируют их в пучок и инжектируют в электронное кольцо по касательной к нему, а после сжатия сфоряировав61шегося электронно-ионного кольца направляют дополнительный поток нейтральных частиц в область вывода ионов из электронного кольца перпендикулярно его плоскости для компенсации пространственного заряда электронрв в этом месте и выводят ионы из кольца и далее из магнитного поля. Суть предлагаемого способа заключается в следующем. В магнитном поле формируют кольцо релятивистских электронов. Затем в это кольцо по касательной к нему вводят ускоряемые ионы с начальной скоростью, например, противоположного направления к направлению скорости электронов. Загрузку кольца ионами можно осуществить путем подачи в, него нейтральных атомов ускоряемого элемен- . та. Под действием электронов кольца нейтральные атомы ионизируются, образовавшиеся ионы удерживаются на орбите собственным электрическим полем кольца. В результате ионы вращаются на орбите кольца и имеют механический момент количества движения, определяемый радиусом кольца и начальной скоростью, с которой нейтральные атомы инжектируются в электронное кольцо. Далее производят сжатие электронно-ионного кольца в возрастающем во времени магнитном поле, и уменьшение радиуса кольца приводит к увеличению скорости ионов за счет силы Кориолиса, Кроме того, в процессе сжатия уменьшается радиус малого сечения кольца, а это приводит к повышению плотности электронов и соответственно к увеличению силы, удерживающей ионы на орбите кольца. Таким образом, в результате сжатия электронно-ионного кольца, в котором ионы имеют начальную скорость они дополнительно ускоряются, а достижимое увеличение их начальной скорости определяется отношением начального и конечного радиусов кольца. Вывести ионы из кольца,можно, например, путем локальной компенсации пространственного заряда электронов в нужном месте кольца за счет накопл ния в этом месте положительных ионов из струи нейтральных атомов ионизируемых электронами кольца. Пример. Предельнзгю достижимую в процессе предлагаемого способа ускорения энергию ионов можно найти из условия равенства центробежной и удерживающей ионы сил в кольце на конечном радиусе сжатия, т.е. ..( R где Л массовое число иона; масса нуклона, скорость иона; радиус кольца, Z - заряд иона-, m - масса электронаi f - параметр нейтрализации за ряда кольца; X - параметр радиальной поляризации электронно-ионног кольца; - параметр Будкера; е - заряд электрона; с - скорость света; Н - напряженность магнитного поля; fl - радиус малого поперечного кольца. NP- 2,в-10 В вьгоажении (1) где Ng - число электронов в кольце. Вполне достижимые параметры электронно-ионного кольца следугацие:Г /Л 0,5 для легких элементов, А 50 и 0,3 для тяжелых, А 50, Н 3 10 Э, R 2 см, с( 0,06 см, t 0,3, . Если в выражении (1) выразить ско рость иона через скорость света и по ставить упомянутые параметры кольца, то получим . 10 для легких и р - тяжелых элементов. Это означает, что предлагаемый способ позволяет ускорять заряженные частицы до энергий 300-500 кэВ/нукло при изменении отношения 2../Л в пределах 0,3-0,5. Например, углерод можно ускорить до энергии 6 мэВ, а интенсивность пучка ионов углерода при цикличности ускорения 50 Гц составит -З 10 аст. /с Если принять начальный радиус, на котором формируется электронно-ионное кольцо, равным 35 см, а в конце сжатия 2 см, то начальная скорость ионов при инжекции в кольцо нахоДится из конечной достижимой скорости ионов через отношение радиусов колец нс.ц (Ькон --- легких элементов энергия инжектируемых нейтрапьных атомов составляет 1,6кэВ/нуклон. Б начале формирования электронноионного кольца его размер см, см. Если сечение ионизации . нейтральных атомов релятивистскими электронами составит 5 и время инжекции нейтралов 3 м/с, то требуемый поток нейтрапьных атомов для образования -«5 Ю однозарядных ионов в кольце равен v3-|О част/с. Такой поток нейтральных атомов можно получить, если предварительно однозначные ионы ускорить до нужной энергии и их перезарядить на тонкой мишени. Сечение перезарядки 40 см , и требуемый поток однозарядных ионов 50-200 мА, что вполне доступно для ионных источников. Вывод ускоренных ионов из электронно-ионного кольца можно осуществить путем создания локальной компенсации пространственного заряда электронов. Для этого требуется струя нейтральных атомов с потоком 2 JF X ./с, если скорость нейтра лов 10 см/с и из периметра кольца /«12 см нейтрализуется участок -«0,6 см. Ионы покидают кольцо по касательной к нему. Учитывая, что ,01 см , это означает, что выведенный из кольца пучок ускоренных ионов, например, углерода имеет плотность пучка мкА/см. В магнитном поле, в месте, откуда они выводятся, ионы имеют ларморовский радиус v.lO см, но поле спадает с увеличением радиуса, поэтому вывод пучка ионов из ускорителя не составит больших затруднений. Таким образом, предлагаемый способ Позволяет упростить метод ускорения, ограничившись только одной ступенью формирования и сжатия электронноионного кольца. Кроме того, позволяет ускорять положительные ионы любого элемента таблицы Менделеева и генерировать сгустки заряженных частиц длительностью не, с числом частиц в сгустке 10Ч К тому же, достигаемые зарядности ускоренных ионов весьма высокие, т.е. полностью ободранные ядра с А 50, и для тяжелых ядер с-0,3, например, можно получить ионы энергией 40 МэВ. $ 110206 Таким образом, предлагаемый способ может служить в качестве эффективного источника многозарядных ионов й инжектора их в ускоритель для дальнейшего ускорения. Кроме того, пред-5 лагаемый способ позволяет ускорить ионы, которые движутся в кольце навстречу друг другу, и тем самым сформировать встречные пучки ускоренных 1 заряженных частиц с высокой светимостью. Это представляет интерес для ядерной физики низких энергий и изучения ион-ионных столкновений, Наконец, выведенный пучок ионов из ускорителя может быть использован для исследований по физике твер дого тела и изучения процессов ионатомных столкновений.

СПОСОБ УСКОРЕНИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ В ЭЛЕКТРОННЫХ КОЛЬЦАХ, заключающийся в инжекции электронов в магнитное поле и формировании электронного кольца, накоплении ионов путем ионизации нейтральных частиц, поступающих 3 кольцо, и сжатий электронно-ионного кольца в магнитном поле, напряженность которого возрастает во времени, отлича, ющийся тем, что с целью упрсицения способа ускорения и ;уменьшения поперечных размеров выведенного из ускорителя пучка ионов, нейтральным частицам придают начальную скорость, формируют их в пучок и инжектируют в электронное кольцо по касательной к нему, а после сжатия сформировавшегося электронно-ионного кольца направляют дополнительный поток нейтральных частиц в область вывода ионов из 15 электронного кольца перпендикулярно его плоскости для компенсации пространственного заряда электронов в этом месте и выводят ионы из кольца и далее из магнитного поля.