Способ ускорения ионов Советский патент 1990 года по МПК H05H5/00 

/:

I. СПОСОБ УСКОРЕНИЯ ИОНОВ, закхлочакицийся в том, что на пути ионного пучка создают электронный погок, величина тока которого превыоает порог образования ййртуального катода в области ускорения ионов, отличающийся тем, что, с целью упрощения способа путем обес печения самосогласованного перемещения виртуального катода и ускоряемых, ионов, виртуальный катод образуют одновременно по всей длине области ;ускорения, инжектируя электронный поток поперек ионного пучка. г (Л

7

/

Vtte, f

2,Способ по п. J, о т л и ч а ющ и и с я тем, что иоиы ищектнруют вдоль области ускорения в виде сгустков, продольные размеры которых ие превышают поперечного размера области ускорения, через промежутки времени большие, чем время пролета ионами области ускорения.

Изобретение относится к ускорительной технике и преимущественно может быть использовано при создании ускорителей положительных ионов, осНованных на ускорении полями, возбужДаемыми в потоке электронов.

Целью изобретения является упроmeime реализации способа ускорения ионов в виртуальном катоде (ВК) электронного потока за счет самосогласованного перемещения его границы синхронно с ионами.

На фиг. 1 изображена схема устройства, в котором может быть получено распределенное состояние с ВК; на фиг. 2 показана зависимость от продольной координаты значения потенциала в плоскости симметрии области ускорения - ускоряющего канала (УК) для случая, -когда в УК создана волна перехода между состояниями с ВК и беэ ВК; на фиг, 3 изображена зависимость приведенного минимального значения потенциала от приведенной величины плотности тока игокекции для системы электродов. Изображенной на фиг, 2; на фиг, 4 показана зависимость приведенного значения потенциала от расстояния от центра УК. дпя системы электродов, изображенной на фиг, 1; на фиг, 5 представлен лример устройства, реализующего способ.

В отличие от известного способа I по предпагаемому способу виртуальный катод (ВК) образуют одновременно по всей длине области ускорения, инжекего части, в которой плотность электронного пртока j перед инжекцией ионов устанавливают в соотйетствин с неравенством jp , где Jp и J р плотности инжектируемого электронного тока вдали от границ области ускорения, при которых про-, исходит самопроизвольное уничтожение состояния с виртуальным катодом, соответственно для случаев, когда не увеличена и увеличена плотность инжектируемого тока вблизи границ области ускорения.

тируя сверхкритнческий электронный Пучок (ЭП) поперек него.

Ионы можно инжектировать вдоль УК в виде сгустков, продольные размеры

которых не превышают поперечный размер УК, через промежутки времени большие, ч-ем время пролета сгустком УК. Вблизи границ УК плотность инжектируемого ЭП может быть установлена выше, чем в остальной его части, , в которой плотность ЭП j перед инжекцией ионного сгуста (ИС) устанавливают в соо-тветствии с соотношением jp,, где j р и jp - плотности

5 ЭП вдали от границ УК, при которых происходит самопроизвольное уничтожение состояния с ВК в УК соответственно для случаев, когда не увеличена и увеличена плотность инжектируемого

0 тока вблизи границ УК.

Благодаря тому, что в УК по всей егодлине в ЭП образовано состояние с ВК, возможно создать волну перехода ЭП из состояния в ВК в состояние без

5 ВК, которая распространяется в УК от входа к выходу, и полем этой волны ускорять ионы.

Обоснование предлагаемого способа можно провести на примере устройства плоской геометрии, схематически изображенного на фиг. I, Здесь 1 - катод, 2 - сеточный анод, 3 - коллектор, 4 - ускорительный канал, 5 - источник питания. Электроны,, ускоренные в зазоре катод - анод, проходят сквозь сеточный анод 2 и попадают а пространство дрейфа между анодом и коллектором, которое является УК, поскольку в этом пространстве в дал нейшем пролсходит ускорение ионов. Поведенне ЭП в УК устройства фиг. 1 теоретически исследовано (на пример, 2 ). . Состояние ЭП в УК определяется величиной плотности инжектируемого в него тока (при заданных величинах d и UQ эту величину, как известно, можно изменять в пределах от нуля д , - г f V 0 п, ) где е и m заряд и масса электрона; рр - элект рическая постоянная, изменяя температуру и соответственно эмиссионную способность катода). На фиг. 3 приведена зависимость величины и JJ-, где U - минимально значение потенциала в УК, от иеличи НЫ / iгде ,1 - плотность инжек JD тируемого сквозь анод тока; j с г2е иГ , - 9 ° приведены распределения потенциала в УК (зависимости Uy) для некоторых фиксированных значений J, обозначе ных буквами А,Б,.,.,3 на фиг. 3. На фиг. 3 видно, что если увеличивать J от нуля до 8, и монотонн уменьшается по криной ЛБВГ. Для сос тояний на зтой кривой все инжектируемые электроны пересекают УК. При J 8 ЭП за время, сравнимое с време нем пролета электрона через УК, нео ратимо переходит в состояние Д (фиг. 3). После такого перехода сос тояния ЭП при J А описываются ли- нией ЕДЖЗ (фиг.. 3). Характерной особенностью этих состояний является наличие электронов, которые не пересекают УК, а водврадаю-.ся на анод, как если бы они были испущены катодом, расположенным в месте,где и 0, т.е. равен потенциалу реального катода. Эти состояния называются состояниями с ВК. Как видно из кривых Е,Д,Ж,3 (фиг. 3), положение минимума потенциала () и при 1 Ж Л yf /m,-fl j При j 4ЭП за время сравнимое с пролетньм, нйобратимо переходит в состояние Б (фиг.З) .гсостояние без ВК, при этом U увеличивается от нуля до -г. 874 Как видно из фиг. 3, каялому значению j в интервале 4 соответствуют два различных состояния ЭП состояние без ВК и состояние с ВК. В зависимости от предыстории изменения j поток существует либо в одном, либо в другом состоянии, т.е. имеет место гистерезис состояний. В случае, когда слева от плоскости х-0 создано состояние без ВК, соответствующее некоторому значению J из интервала гистерезиса, а справа состояние с ВК, соответствующее тому же значению j, изменения могут происходить только на границе состояний, так как вдали, от границы имеют место уже описанные устойчивые состояния. Поведение границы между состояниями в рассматриваемой системе еще не исследовалось, однако имеющийся обширный материал- о поведении аналогичных систем с гистерезисом состояний (например, З) позволяет сформулировать общие закономерности поведения таких системг I) в однородной системе граница между состояниями дв Dкeтcя с некоторой постоянной скоростью - одно из состояний поглощает другое; 2) в интервале гистерезиса имеется некоторое равновесное значение параметра, определяющего состояние системы, при котором граница неподвижна; З) при переходе параметра через равновесное значение меняется знак скорости движения границы, при этом скорость тем выше, чем больще значение пара- . метра отличается от равновесного. и граница между состояиями неподвижна, то при J : j граниа движется влево, состояние с ВК оглощает состояние без ВК, а при :Jp граница движется вправо, состояие без ВК поглощает состояние с ВК. Поскольку значение потенциала в остояние с ВК, как это видно на иг. 3 и 4, ниже, чем в состоянии без К, на границе состояний имеет место ерепад потенциала (фиг. 2). Этим . ерепадом можно ускорять положительые -ионы, если использовать волну, ри,которой-состояние без ВК настуает на состояние с ВК, т.е. волну, оторая имеет место при J р . величение фазовой скорости волны, еобходимое для синхронизации движеия волны и ИС, очевидно может быть остигнуто уменьшением величины j Sи VHc;iH4f iineM разности Jp-,1) по неко торому злкону от йходя к выходу УК. Вели п зазоре катод-анод величина така ограничена законом три вторых T.e.J(x)|...(|b Dti) Л/ (х) ) J (х) (J (х) Отсюда следует, что изменение величины j (х) и с;оотвётственно фазовой скорости может быть достигнуто подходящим выбором зависимости -,1 , Продольйая устойчивость в поле перепада ИС, которь1й при выбранной .геометрии ЭП представляет собой однородный по оси. Z цилиндр, обеспечивается таким же образом, как и в классических линейных ускорителях, если центр ИС находится правее максимума j-g-j - максимума электрического поля перепада {предполагается, что заряд .ионного сгуста мало возмущает ускоряющее поле). Поперечная устойчивость ИС обеспечивается полем объемного заряда ЭП. Наличие объемного заряда у ИС равноценно уменьшению плотности заря да ЭП в месте нахождения ИС. Это при водит к тому, что в присутствии ИС улучшены условия для образования состояния без ВК и оно .начинает наступать на состояние с ВК быстрее, Добавка к скорости AV за.висит от . того, в каком месте относительно перепада находится ИС. При зтом необх димо учитывать (н расчеты на модел подтверждают это ) -совместное действие как величины возмущения ЭП .зарядом ИС, которое тем больще, чем больше плотность заряда ЭП в месте нахождения ИС, так и величины неоднородности- ЭП в зтом месте, характе , риз.уемой производной (-З ( если . ИС находится далеко слева или справ от перепада, где - -О, то возмущение ЭП ИС симметрично по х и нет причины, по которой перепад дол жен двигаться быстрее или медленнее в каком-либо направлении). Из -изложенного получается следующая качест венная зависимость величины iV от по ложения ИС относительно перепада: п приближении ИС к перепаду слева AV сначала возрастает,так как расту т и плотность ЭП (плотность ЭП в состо НИИ с ВК выше, чем в состоянии без ВК) и величина 1 г- , в месте максиI ох 7 ижпмосП) ЭП псе умл Hf;JIH4t1 l|.1 ;- ще возрлстлет,поэтому ftV нескольо подрастает после перехода коордимаксимален, затем аты, где У достигаеч максимального значения ри некоторой координате и при дальейшем перемещении ИС дальше вправо падает до нуля, так как плотность заряда достигает насыщения, а велиина Ч п При описанной аависимостн добавки к скорости движения нерепада от положения ИС система перепад - ИС устойчива при положении ИС слева от положения, где fiV максимально. Если какое-либо возмущение смещает перепад вправо.(влево) от равновесного положения, то в новом положении ИС скорость перепада больше (меньше) и он начинает уходить вправо (влево), по-, ка ИС не займет равновесное состояние. Наличие такой устойчивости позволяет снизить допуски на точность задания зависимости скорости перепада от продольной координаты. Из изложенного следует, что если центр ИС расположен между координатамаксимален и V максигде 5 Эх мально, то устойчивы как форма ИС, так и его положение относительно п.ерепайа. Можно отметить, что максимальная скорость движения ускоряющей волны по крайней мере сравнима со средней скоростью дшокения электронов в УК, т.е. таким способом можно ускорить протоны до энергий порядка 100 МэВ. Можно также отметить, что переход из состояния с ВК в состояние без , ВК, происходящий в неограниченной системе при , одновременно во всех точках системы может рассматриваться как происходящий с бесконечной фазовой скоростью. Рассмотрим устройство с конечньячи размерами (фиг. 1), у которого все электроды - прямоугольники с размерами 1 J, и 1-, и исследуем влияние границ. Ограниченное устройство можно представить себе как вырезанное из системы с бесконечными электро дами линией, которая плраллельна оси у и перемещается по контуру прямоугольника со сюронлми 1 и 1-. Если теперь заменить удаленную часть системой злектродоп, которые подобно то ну, как это сделано в пушках Пирса, создают на границе (месте разреза) распределение потенциалов, которое имеет место в неограниченной системе то оставшаяся часть потока не будет чувствовать разреза и поведение такой ограниченной системы не будет отличаться от безграничной. Если ограниченная система не имеет таких окаймляющих электродов, воз никает различие в поведении ограничеинсгй и безграничной систем, даже если выполнено условие и Ij D При увеличении J состояние с ВК образуется при J , практически равном 8, как н в безграничной системе. Воз никает бно прежде всего в центральной части устройства, где влияние краев меньше, и, возникнув, распрос раняется к краям. Так как на краях ЭП ограничен, влияние объемного заря да здесь ослаблено, состояние без ВК возникает при уменьшении величины J раньше, чем в безграничной системе, при значениях J 4. Возникнув на границах, это состояние распространяется от краев систем, к центру. Таким образом, в этом случае вели чина JP -Jxp-1p поэтому максималь ная скорость дв1гжения перепада и соответственно ионов, которую по лучать в таком устройстве, меньше. Из изложенного следует, что в интересной ,мя целей ускорения положи ельных ионов области состояние с ВК теряет устойчивость, если оно находится в контакте с состоя нием без ВК, и поэтому, чтобы полукчать состояние с j - и соответственно наибольшими скоростями движения перепада, необходимо создать подходяише условия на границе. Помимо уже описанного способа выравнивания потенциала на границе с помощьк окаймляющих электродов может быть предложен способ создания вблизи края более плотного слоя электронов, который может быть получен либо уменьшением расстояния.между като дом и анодом на периферии устройства либо увеличением температуры катода вблизи его границ. Если устройство, составленное из плоскостей с размерами 1х и 1, свер нуть так, чтобы совместить передний торец с задним. То отпадает пробле878ма боковых торцов. Проблемы боковых торцов, очепидио, нет ив устройстве-, где цилиндрический клтод окружает ципнидрическую х етку-аиод и где УК является простраиство внутри анода. Существенность отличий предлагаемого способа обусловлена тем, что инжекцией сверхкритического ЭП по перек УК формируют перед инжекцией ИС распределенное по всей длине УК состояние с ВК и тем самым создают условия, когда в УК может,распространяться от входа к выходу ускоряющий перепад потенциала. Движение этого перепада является результатом перехода ЭП в более устойчивое состояние и не требует какого-либо переменного воздействия на ЭП извне во время ускорения. Ускоряемый НС оказывает в определенных пределах синхронизируюрдее воздействие на положение перепада, и результате чего ускорение носит самосогласованный характер. В качестве примера конкретного выполнения способа можно рассмотреть случай, который реализуется в устройстве, изображенном на фиг. 5. Здесь введены дополнительные (к фиг. 1) обозначения: 6 - подогреватель катода ОС1ГОВНОЙ секции 7 - подогревател. катода дополнительной секции, 8 - инжектор ионов, 9 - подогреватель катода входной секции. Это устройство может быть либо аксиально-симметричным (аа - ось вращения, ускоряемый ИС - фигура, близкая к эллипсоиду), либо плоским (аа - плоскость симметрии, ИС - стержень), либо представлять собой аксиально-симметричную фигуру, которая получается, если тело изображенной геометрии вращать вокруг оси, которая параллельна оси аа и Находится на расстоянии от нее (аа - цилиндр радиуса R, ИС - тороид). Для определенности буден считать, что аа - плоскость симметрии, поскольку именно этот случай был обсужден выше. Как видно из иг. 5, все варианты устройства существляют, в отличие от рассмотенного ранее случая, встречную ин- екцию электронов. Это позволяет прозводить рекупе15ацию энергии ЭП и лучшает симметрию ускоряющего поля тносительно аа в плоском и кольцеом вариантах. Считается, что расстояние между катодом и анодом d-constj зависимость D(X) задана либо расчетом на ЭВМ, либо найдена эмпирически (в ieолтимальном режиме устройство может работать и при I cpnstj), анод заземлен, ускоряющий электроны потенциал прикладывается к катоду. Для того, чтобы в устройстве можно было создать по всей длине состояние с ВК необходимо, чтобы по всей длине УК было выполнено условие d48D(x), Тогда максимальная плотность тока, которую можно получить в промежутке катод - анод в условиях закона три вторых превысит крити 8. ческие значения J Для получения эффекта ускорения ионов подают напряжение на подогревч тели 6,7,9 катода (фиг. 5) и устанавливают эмиссионную способность ка тодов такой, чтобы при значении уско ряющего ЭП потенциала меньше номинального () в УК образовывалось по всей длине состояние с ВК и при номинальном значении ускоряющего ЭП потенциала (U-U) для величины инжек тируемого тока выполнялось условие , (фиг. 3). Наличие И распределение состояния с ВК по длине УК может быть проверено измерением распределения потенциа ла вдоль УК, которое может быть провеДено с помощью ИС. Для этого подаю напряжение на катод и одновременно .инжектируют ИС. Затем выключают напряжение на катоде при различных положениях ИС в УК. Прирост энер гии ИС равен глубине потенциальной ямы в том месте УК, где находился ИС в момент выключения ЭП. При наличии состояния с ВК максимальньж при. рост энергии ионов сгустка равен eU, . где и - потенциал катода. Величина Jp определяется, как значение J, при котором в УК исчезает состояние с ВК при условии, что эмиссионные способности входной основной и выходной секций катода одинаковы (одинаковы их температуры). После определения величины J,, путем повьппения температуры входной и выходной секций увеличивают в них плотность инжектируемого тока и по лучают значение плотности тока инже в основной секции, при котором пропадает состояние с ВК , . Подстройкой тока эмиссии во входной екции создают условия, когд.ч ИС нициирует ускоряющую полну, и затем егулировкой токов эмиссии во всех екциях настраивают систему на наиучшим режим ускорения. Средняя плотость ионов в инжектируемом сгустке J может составлять величину N; i 0,1 и, среднее значение где Пр плотности электронов в УК. Вышеизложенное позволяет сделать вывод,что предлагаемый способ может быть реализован в простых устройствах, для работы которых необходимы лишь генератор 5 импульсов с плоской вершиной и инжектор 8 ИС. Характеристику технико-экономической эффективности заявленного объекта изобретения рассмотрим в сравнении с прототипом. Предлагаемый способ более прост в реализации, так как в нем отсутствуют элементы, которые извне управляют положением ВК в прототипе: мощный импульсный лазер и световоды. Следует отметить, что в способе, принятом за прототип, неясно, будет ли вести себя желаемым образом система компенсирующий ион11ый фон - сверхкритический ЭП, поскольку именно в зтих условиях могут -иметь место различные варианты двухпучковой неустойчивости, ликвидация которых может оказаться либо невозможной, либо может потребовать дальнейшего усложнения способа. Для иллюстрации возможностей способа можно привести параметры устройства,которое подключается к типич-ному высковольтному генератору коротких импульсов (1 MB, 30 кА, 20 не). Пусть см, ,5 см, ,5 см. Критическое плотности тока, при котором исчезает состояние с ВК, составит примерно I кЛ/см, соответственно полный ток 225 кА. Если применить рекуперацию энергии электронов и сетки с прозрачностью 95%, то потребляемый от генератора ток может быть уменьшен примерно на порядок. Энергия ионов на выходе такого устройства составит . примерно 15 МэВ при числе ускоренных за импульс ионов 10 . Предлагаемый способ, в отличие от прототипа, позволяет производить ускорение ИС последовательно в нескольких расположенных соосно друг за другом секциях. Увеличение количества ИС, ускоряемых в устройстве эадаиноП длины, позволяет увеличить ток и К11Д устройства. Кроме того, как видно из примера конкретного выtotmetMia let вК

L-

Cfcnrmtmu f вЯ

tf. полнения, возможно увеличение КПД устройства за счет рекуперации энергии ЭП,

tf