Ускоритель ионов Советский патент 1986 года по МПК H05H5/00 

ю

4 СП 1 Изобретение относится к области ускорительной техники и может найти применение для получения интенсивных импульсных пучков многоэарядных ионов. Известно устройство для получения пучка многозарядных ионов, которое представляет собой вакуумированную цилиндрическую трубу (длиной около 1 м) дрейфа, вдоль которой создано принудительное распределение потенциала (ловушечная конфигурация).Труба дрейфа помещена в сильное аксиаль ное магнитное поле. На одном торце дрейфа установлена электронная пушка , генерирующая аксиальный электрон ный поток. Электроны осциллируют в трубе дрейфа и ионизуют газ, напускаемый из внешнего источника. Благодаря большой длительности импульса тока электронов обеспечивается такое значение плотности электронов jt (где j - плотность электронного тока, t длительность) , которое приводит к глубокой обдирке атомов.По истечении определенного времени (до получения нужной кратности ионизации распределение потенциала вдоль оси изменяют, и образовавшиеся многозаря ные ионы выталкиваются из устройства в инжекторную часть ускорителя. В этом устройстве удалось получить бол шие кратности ионизации. Однако изза большой протяженности трубы дрейфа время вьшода ионного пучка велико (десятки-сотни микросекунд), т.е. мала мощность пучка. Кроме этого,общее количество ионов в импульсе не превьшгает , что обусловлено само геометрией электронного потока. Указанные недостатки не позволяют испол зовать этот источник в качестве инжектора в сильноточные ускорители прямого действия. Кроме этого, само устройство достаточно сложно,так как для создания принудительного распределения потенциала вдоль трубы ее необходимо делать секционированной. Наиболее близким техническим реше нием является ускоритель ионов, содержащий противостоящие катод и анод в виде полого цилиндра, соединенного с генератором высоковольтных импульсов, а также магнитную систему, создаю|цую радиальное изолирукяцее магнит ное поле в пространстве между анодом и катодом. На оси катода установлена электронная пушка, а внутри анода 5диск, имеющий зазор с анодным цилиндром и соединенный с ним электрически через индуктивность. Плазма образуется при пробое между краем диска и анодом в результате заряда диска пучком электродов с катода. Недостатком устройства является малая кратность ионизации тяжелых ионов. Целью изобретения является увеличение мощности пучка и зарядности ионов. Цепь достигается тем, что в ускорителе ионов, содержащем противостоящие катод и анод в внд« полого цилиндра, соединенного с генератором высоковольтных импульсов, электронную пушку, содержащую катод и анод, и также магнитную систему, создающую радиальное магнитное поле в пространстве между анодом и катодом катод и анод электронной пушки выполнены коаксиальными с наружным расположением катода, электронная пуппса установлена у торца анода со стороны катода ускорителя, в последний введены импульсный газовый клапан и дополнительный генератор импульсов пилообразного напряжения, к которому подсоединен катод электронной пзпшеи, npei этом анод пувпси электрически соединен с анодом ускорителя, а магнитная сис« тема расположена внутри анода ускорителя, на оси которого укреплен импуль сный газовый клапан, электрически со единенный с катодом пушки. На чертеже представлена схема ускорителя . В корпусе 1 ускорителя расположены противостоящие катод 2 и анод 3 в виде полого цилиндра, соединенного с положительным электродом генератора 4 высоковольтных наносекундных импульсов. У торца анода 3, обращенного к катоду 2 установлена коаксиальная электронная пушка с наружным расположением катода 5, который соединен с дополнительным генератором 6 импульсов пилообразного напряжения. Анод 7 этой пушки электрически соединен с анодом 3. Внутри анода 3 установлена магнитная система 8, создающая радиальное магнитное поле в зазоре между анодом 3 и катодом 2.На оси анода 3 укреплен быстродействующий импульсный газовый клапан 9.Непосредственно за катодом 2 установлена труба 10 дрейфа, внутри которой расположен соленоид 11, создающий в 31 трубе 10 дрейфа аксиальное магнитное поле. Устройство работает слецукяп м образом. На магнитную систи у 8,расположенную внутри анода 3, подается импульс тока, создающий радиальное изолирующее магнитное поле,параллель ное поверхности анода 3.Одновременно срабатывает импульсный газовьй клапа 9, ив пространство между анодом 3 и катодом 2 впускается порвд1я газа ( мол). После этого на катод 5 электронной пушки, установленной на наружной окружности анода 3, подается импульс напряжения от генератора 6 импульсов пилообразного нап ряжения, под действием которого с катода 5 начинают эмиттироваться электроны, образуя плоский сходящийся электронный пучок, осциллируищий между катодом 5 и импульсным газовым клапаном 9, который электрически сое динен с катодом 5.Под действием осциллирующего электронного пучка происходит ионизация газового облака с образованием многозарядных ионов. Так как радиально сходящийся плоский электронный пучок имеет плотность j е, увеличивающуюся к центру (пропор ционально 1 /г ) 3 вероятность иони зации (в том числе и многократной) пропорциональна vi е t (где t - длительность электронного импульса), ос новная доля многозарядных ионов обра зуется в центральной области. Кроме этого, такой электронный пучок создает электрическое поле ловушечной конфигурации, так как благодаря нара тающей к центру плотности электронно го пучка минимум потенциала находится вблизи центральнЬй области, где соответственно и сосредотачивается основная доля многозарядных ионов, удерживаемая в поперечном направлении пространственным зарядом плоского электронного пучка. По мере накоп ления ионного заряда напряжение, пос тупающее на катод 5 электронной пушки, увеличивается, что приводит к соответственному нарастанию электрон ного тока, к сохранению избыточного электронного заряда над ионным,что и обеспечивает дальнейшее удержание ионов в поперечном и продольном направлениях. В расчетный момент времени, удовлетворяющий условию t (мкс) (время,необходиРмм рт. ст. 5 мое для достижения нужной кратности ионизации) на анод 3 отгенератора 4 высоковольтных импульсов поступает высоковольтный импульс длительностью десятки-сотни наносекунд, под действием которого многозарядные ионы вытягиваются в сторону катода 2, формируют мощный поток ионов, который затем вьюодится из зазора анод-катод, при этом на своем движении к пространству дрейфа ионный пучок проходит нулевой магнитный поток, созданный анодной магнитной системой 8 и соленоидом 11, так как последний создает магнитное поле этого же направления. Вследствие этого азимутальная компоненту энергии дрейфукяцего ионного пучка близка к нулю.Длительность импульсного поля соленоида 11 такова, что в течение его это поле не проникает сквозь катод 2 в зазор анод-катод и таким образом не искажает радиальное изолирукяцее магнитное поле катушки. Для образования 11-14-зарядны ионов аргона требуется jet t; 10 см .Если первоначальная плотность электронов с катода -100 А/см, то благо-, даря сжатию пучка к центру на малых радиусах и наличия осцилляции электронного пучка в радиальном направлении эквивалентная величина тока может быть увеличена примерно на два порядка (до 10 А/см). Значение JeiT составит при этом 6-(10 -10) см-2при I 10 - 100 МКС, что вполне достаточно для полной обдирки атомов до аргона включительно и более чем 50%-ую обдирку атомов вплоть до урана.Поскольку плоское облако многократно ионизированных ионов имеет малые размеры в поперечном направлении (толщина электронного пучка), время вывода его в этом направлении под действием высоковольного наносекундного импульса имеет порядок единиц-десятков наносекунд, следовательно, мощность ионного пучка может быть увеличена на 2-3 порядка. Таким образом, по сравнению с устройством, выбранньм за базовый объект котрое внастоящее время является лучшим для получения многозарядиых ионов, предлагаемое устройство,неуменьшая зарядности ионов в пучке,позволитувеличть его мощность на2-3 порядка, вследствие сокращениявремени вьгоода пучка сдесятков микросекунд в базовом объекте до десятков наносекунд.

УСКОРИТЕЛЬ ИОНОВ,содержащий противостоящие катод и анод в виде полого цилиндра, соединенного с гене ратором высоковольтных импульсов, электронную пушку, содержащую катод и анод, и магнитную систему для создания радиального магнитного поля в пространстве между анодом и катодом, о.тлич ающийс я тем, что, с целью повышения мощности пучка и зарядности ионов, катод и анод электронной пушки выполнены коаксиальными с наружным расположением катода, электронная пушка установлена у торца анода со стороны катода ускорителч, в последний введены импульсный газовый клапан и дополнительный генератор импульсов пилообразного напряжения, к которому подсоединен катод электронной пушки, при этом анод пушки электрически соединен с анодом ускорителя, а магнитная система расположена внутри анода ускорителя, на оси которого укреплен импульсный газовый клапан, электрически соединенный с катодом пушки.