УСКОРИТЕЛЬ ИОНОВ Советский патент 1994 года по МПК H05H5/00 

Изобретение относится к ускорительной технике и может найти применение для получения сильноточных пучков тяжелых ионов.

Цель изобретения - увеличение эффективности ускорения и ресурса работы ускорителя, улучшение эксплуатационных свойств за счет повышения однородности состава ионного пучка.

Работа устройства и его принцип действия поясняются чертежом.

Ускоритель тяжелых ионов включает заземленный электрод 1, выполненный в виде полого цилиндра, на конце которого укреплен цилиндр, либо кольцо 2 из металла, ионы которого требуется ускорять. На расстоянии l₁ ≥ 10⁷ t_ε установлен цилиндрический потенциальный электрод 3 (ПЭ). ПЭ подключен к высоковольтному генератору 4 двух разнополярных импульсов. На расстоянии l₂ = 5-10l₁ от потенциального электрода установлена сетка 5 с высокой прозрачностью (0,8-0,9). Все электроды помещены в вакуумируемую камеру 6, на которой установлены катушки 7 соленоида, создающие аксиальное магнитное поле. Кроме этого на чертеже обозначено образование взрывоэмиссионной плазмы 8, ускорение первым импульсом напряжения электронов 9 из этой плазмы, траектории легких ионов 10, тяжелых ионов 11 и выводной патрубок 12. Расстояние l₁выбирают так, чтобы взрывоэмиссионная плазма, образованная на электроде, имеющая скорость (2-3) 10⁶ см/с, за время действия двух импульсов напряжения не успела распространиться до потенциального электрода, то есть l₁≥3˙10⁶t_ε(t_ε - суммарная длительность обоих импульсов). Принципиальных ограничений на расстояние l₁ с другой стороны нет, но практически, из соображений меньших габаритов ускорителя, целесообразно расстояние l₁ устанавливать равным 10⁷ ˙t_ε. Расстояние l₂ должно быть в 5-10 раз больше l₁, чтобы предотвратить образование взрывоэмиссионной плазмы на сетке 5 путем значительного снижения напряженности электрического поля на поверхности сетки и уменьшить ионный ток T_i в этом зазоре на втором импульсе, так как I_i . Длину цилиндра d потенциального электрода 3 выбирают из условия, чтобы ускоренные тяжелые ионы во время действия второго импульса напряжения не успевали ее пройти, то есть были экранированы после ускорения от воздействия электрического поля. Она определяется соотношением
d = 1,38 · 10⁶ · t, где U - амплитуда ускоряющего напряжения, В;
A - атомный вес металла, из которого изготовлена конечная часть электрода и ионы которого требуется ускорять;
Z - зарядность иона;
t_u2 - длительного второго импульса, с.

Работа устройства происходит следующим образом.

При подаче от генератора высоковольтных импульсов первого положительного импульса напряжения на поверхности кольца 2 заземленного электрода 1 образуется взрывоэмиссионная плазма 8, состав которой определяется материалом электрода и состоянием ее поверхности (см. выше описание аналога). Электроны 9 из этой плазмы ускоряются в зазоре, образованном электродами 1-3, проходят через ПЭ-3 и попадают в тормозящее поле зазора между потенциальными электродом 3 и сеткой 5, тормозятся, ускоряются в этом зазоре в обратном направлении, приходят через ПЭ 3, попадают в зазор и т.д., то есть колеблются между электродом 1 и сеткой 5. Взрывоэмиссионная плазма на сетке не образуется, так как расстояние l₂ = 5-10l снижает напряженность электрического поля на поверхности сетки, ниже порога взрывной эмиссии. Возможен пробой масляных пленок на сетке 5 и образование плазмы, из которой происходит эмиссия электронов, однако импеданс зазора между электродом 3 и сеткой 5 в (l₂/l₁)² = 5-10² раз выше импеданса зазора между кольцом 2 и электродом 3. Поэтому число их будет также незначительно. При поступлении на потенциальный электрод второго импульса отрицательной полярности ионы 10,11 из взрывоэмиссионной плазмы 8 ускоряются в зазоре между кольцом и электродом. Легкие ионы проходят сквозь потенциальный электрод и попадают в тормозящее поле зазора между электродом и сеткой, где тормозятся, затем, ускоряясь в противоположном направлении, возвращаются и т.д. За время действия ускоряющего импульса напряжения таких колебаний может быть несколько. С учетом реальной формы ускоряющего импульса напряжения часть фотонов и легких ионов выводится в пространство дрейфа на заднем фронте импульса вследствие того, что тормозящее поле по величине меньше ускоряющего. Однако энергия этих ионов пренебрежимо мала, и энергия, уносимая этими ионами, значительно меньше энергии тяжелых ионов. Тяжелые ионы, благодаря заданной длине потенциального электрода 3, за время действия второго импульса не успевают пройти сквозь электрод и не испытывают тормозящего действия. По окончании действия импульса напряжения потенциалы на электродах выравниваются, и тяжелые ионы 11 в отсутствии поля дрейфуют к выводному патрубку 12. Следует отметить, что принцип работы устройства не изменится, если электрод 3 будет заземлен, а соответственно электрод 1 и сетка 5 будут потенциальными. В этом случае полярность импульсов должна быть противоположной.

Таким образом, предлагаемый ускоритель по сравнению с прототипом приобретает принципиально новое свойство - возможность ускорять ионы тяжелых элементов. Ускоренный пучок ионов будет иметь однородный состав по массам. В предлагаемом ускорителе значительно выше КПД, так как отсутствуют потери энергии на разогрев анодной пленки, а также снижена энергия, уносимая примесными ионами.

Конкретный пример использования данного устройства. Для ускорения ионов вольфрама М = 183, Z = 1 при длительности импульса, наиболее часто используемой в сильноточных ускорителях, 50 нс, и U = 10⁶ В, d=1.38·10⁶ 50 ˙ 10^-9 = 51 см. Для Z = 4, d = 10,2 см. Зазор 2-3 при суммар- ной длительности двух импульсов - 100 нс, l₁ ≥3˙10⁶-10^-7=3˙ 10^-1 см, а l₂ = 15-30 см.

УСКОРИТЕЛЬ ИОНОВ, содержащий генератор высоковольтных импульсов, соленоид с размещенным внутри него корпусом, в котором установлены последовательно и соосно два электрода, один из которых потенциальный, в виде полого цилиндра, а другой электрически соединен с корпусом, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности ускорения, увеличения ресурса работы, улучшения эксплуатационных свойств за счет повышения однородности состава ионного пучка, в качестве генератора использован источник двух разнополярных импульсов напряжения, длина d потенциального электрода соответствует соотношению:
d=1,38·10t,
где U₂ - амплитуда напряжения, ускоряющего ионы, В;
А - атомный вес ускоряемых ионов;
F - зарядность ускоряемых ионов;
t(C) - длительность импульса напряжения, ускоряющего ионы, С;
потенциальный электрод установлен на расстоянии l₁ = 10⁷t_Σ от заземленного электрода, где t_Σ - суммарная длительность двух импульсов напряжения, а по другую сторону от потенциального электрода на расстоянии l₂ = 5 ÷ 10l от него установлен дополнительный электрически соединенный с корпусом прозрачный электрод для ускоряемых ионов.