Ускоритель многозарядных ионов Советский патент 1988 года по МПК H05H5/00 

I

Изобретение относится к ускорительной технике и может найти применение для генерации мощных пучко мио1 озарядных ионов.

Целью изобретения является увел чеиие интенсивности миогозарядньгх ионов за счет увелич ения плотности электронньпс осциллирующих потоков.

Устройство и принцип его действия поясняются чертежом, где изображены генератор высоковольтных импульсов 1, корпус 2, магнитная- система 3, острийный заземленный катод 4 - эмиттер электронов, анод 5, выполненный в виде усеченного конуса, импульсный источник 6 ионо установленный на окружности внутри анодного конуса в средней плоскост анодного конуса, диафраг-ма 7 с отверстием, являющаяся меньшим основанием анодного конуса, дополнительный заземленный катод 8, выполненный в виде сетки или диафрагмы, волны газа 9, распространяющиеся от импульсного источника электроны 10, эмиттируемые катодом и, многозарядные ионы 11, Устройство работает следующим образом.

Включается импульсный источник ионов 6, и в объеме анодного конуса 5 начинают распространяться атомы рабочего газа со скоростью Vft (КБТ° / т; ) , где kj, -постоянная Польцмана, Т - температура газа, т; - масса ионов (плазма распространяется со скоростью V 10 -10 см/с. Через некоторое время или одновременно включается магнитная система 3, Время ее включения обусловлено тем, чтобы максимум магнитного поля совпал с моментом, когда фронт газовой волны или плапмы дошел до обоих торцов анодного конуса 5, но еще не вышел на них. После этого включается генератор 1 и напряжение положительной полярности прикладь вается к аноду 5. Под действием приложен- Hoii разности потенциалов с острий- ного катода 4 начнут эмиттировать- ся электроны, формируя: при этом узкий электронный пучо|. Электроны этого пучка осциллируют внутри анода 5 и многократно ионизируют газ (или плазму), в результате чего образуются многоразрядные ионы 11, компенсирующие пространст189112

вен|.п,1й заряд электронного пучка. Степень обдирки атомов, т,е, за- ряд гоеть Z; увеличивается, как Bnje Ле Je - плотность 5 электронного потока, Сц - длительность импульса напряжения. Плотность электронного п отока при раб оте в отражательном режиме (ос- . цилляции электронов) для острий- 10 ных конфигураций катодов за счет процессов нейтрализации и много- кратньк осцилляции (20-40) - накопления заряда может достигать 10 15

to Л/см

Взяв длительность импульса МКС, будем иметь фактор ионизации je ьц

6,6-10 см-, что

обеспечивает 50% и большую степень обдирки атомов до 2; 80,

Благодаря конической форме анода 5 в электронном пучке 10 будет существовать переменное по его длине провисание потенциала icf т,е, будет существовать аксиальное электрическое поле. Под действием этого поля образовавшиеся ионы 11 будут двигаться в аксиальном направлении к большему торцу анода 5. При этом движении они будут многократно ионизироваться осциллирующими электронами, а также участвовать в процессе перезарядки. При выборе плотности газа такой, чтобы ЕЙ « 1, процессами перезарядки по сравнению с процессами обдирки можно пренебречь. Здесь С/„ - сечение перезарядки, см , / - плот- Г i 1

ность атомов газа -- , Р. - длина анода, см. UM J

В радиальном направлении в течение всего импульса ионы 11 будут подвергаться воздействию электрического поля, обусловленного нескомпенсированным пространствекным зарядом пучка, и совершать радиальные осцилляции, удерживаемью этим полем от радиального рассыпания. При этом необходимо, чтобы значение радиального провисания потенциала Afp в электронном пучке было минимально возможным; но несколько большим, чем тепловая энергия

55

ионов, т.е. icfr

ЧТ z,e

Если

г

4Q,..-- ,

это приве(

дет к возрастанию nfiiicpti tniiii -чнгр- гии иомов, т.е. к В(,чмню мит- танса ионного пучка, что крайне ухудшает эффективность вывода его из анода и возможность его шего использования.

Приняв степень зарядовой компенсации 99,9% и найдя линейную плотность заряда электронов

,

где 1 - среднее число осцилляции электронов РЭП, Vg - скорость электронов, р- импеданс диода, получи выражение для радиального провисан

, потенциала

йЧг2гс д10- .еп ,,

в условиях сильной замагничен- ности РЭП в отражательных системах с пренебрежимо малыми потерями в аноде Ч 20-40 д - радиус анода р„ - радиус пучка. Для обеспечения вывода из анодного конуса образовавшихся там-многозарядных ионов необходимо, чтобы длительность импульса была больше, чем среднее время движения ионов - Одд в аксиалном направлении в сторону .большого аноднот о торца. Это услэвие можно записать в следующем виде

л ...; 1 в / 12 имл АбМ2е; /а) ,

где вд - длина анодного конуса, а - среднее ускорение движения ионов. Используя для fi выражение

(iCpTj-utfrO 2;е

а I

Е,

записанное выше

m

А выражение для ftcfp и среднее значени

25, после некоторых преобразо(при условии

Гд -Гд

2. (

,

«i ;

получаем соедующее выражение, связывающее длину анода с прочими параметрами ускорителя:

,45.ЧО () / 1 0С Ч А

Упростив это выражение в приближении ; 0,25 N , где Z; -средний заряд иона в течение, длитель,

НОГТ П ИГИГГУ.ЧЬСЛ , л NJ - ;3TOMHt- H НОMf p з.чемонтл, и 1 где Д aroKHi.iH врс, получаем

(cMJf J tO

в,

h,4

Для )0 , ZQ АО Ом,

сц 10 МКС получаем ц 150 см. При выЬолнении этого условия достигается эффективный вывод многозарядных ионов из анодной полости и их ускорение в А-К зазоре, обеспечивающее генерацию низкоэмиттансного пучка многоэарядных ионов. Что касается максимально допустимого давления остаточного газа Р, то оно может быть определено из условия t .p :е 2 tg , где Cg - среднее время ударной электронной ионизации ; ьр А/Р, здесь А - эмпирическая константа, зависящая от сорта газа, Р - давление газа в ммрт. ст.,

время ударной электронной ионизации в наносекундах.-Для азота, к примеру А 1,6 для водорода А 5. По сравнению с устройством, выбранным за базовый объект (инжектор Крион) и являющимся в настоящее время лучшим с точки зрения получения многоразрядных ионов, благодаря высокой плотности электронного потока исчезает необходимость в сверхвысоком вакууме, так

как для обеспечения того же значения je сц появляется возможность работать при меньших на три порядка

длительностях импульса

. Радиальный тепловой поток остаточного газа внутрь электронного канала в этом случае сократится соответственно на шесть порядков и это дает возможность рабо тать в условиях обычного механического вакуума 10 -10 мм рт.ст. Высокая плотность электронных осциллирующих потоков позволяет работат ь и на большей плотности рабочего газа, что обеспечивает соответственно большие (на три порядка) количества многоразрядных ионов и интенсивность ионного пучка, выводимого из устройства (т.е. единиц ампер).

Редактор В.Фельдман

Составитель Ю.Терешкин

Техред М.Ходанич

Заказ 3384 Тираж 832Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Корректор И.Эрдейи