Способ генерации пучка ионов Советский патент 1990 года по МПК H05H5/00 

31507

Изобретение относится к ускори- .тепьной технике и может быть использовано при разработке сильноточных импульсных ускорителей тяжелых ионов необходимых для. проведения исследований в области управляемого термоядерного синтеза.

Целью изобретения является повышение качества пучка путем увеличе- ния, плотности ионного тока и уменьшения энергетического и зарядового разброса ионов, а также расширение ди-апаэона сорта ионов.

Согласно данному способу плазму создают после заполнения ускоряющего диодного зазора газообразным рабочим веществом, воздействуя на него бы- стронарастающим магнитным полем с геометрией типа остроугольной ловуш- ки и скоростью нарастания (dB/dt), соответствующей условию

dB/dti 3-10 /R

о

(1)

где RO(M) - средний радиус магнитной

ловушки,

при этом импульс ускоряющего напряжения подают в момент достижения магнитным полем своего максимального значения В(Т), а амплитуда ) им- пульса ускоряющего напряжения удовлетворяет соотношению

mE/(U;gU„/lo B R -0,001, (2)

где me/|U; - отношение масс электрона

и иона соответственно. Для получения паров рабочего вещества из мишени, содержащей рабочее вещество в конденсированном состоянии, ее облучают лазерным излучением интенсивность которого на поверхнос- ти мигаени q (Вт/м) устанавливают в соответствии с соотношением

ХА4с7/10К Я ц/Зее 1,77 р-лГсГ, О)

где А - атомный вес;

А - удельная теплота испарения,

Дж/кг; ,3 Дж/град моль - универсальная

газовая постоянная; С; - ионная теплоемкость, Дж/м.гр р - плотность, Эе - коэффициент электронной теплопроводности вещества мишени, Дж/м.с-град; tp - длительность лазерного импульса, с.

Благодаря тому, что скорость нарастания остроугольного магнитного по

ля, а также амапнтудные значения магнитного поля и ускоряющего напряжения удовлетворяют условиям (1, 2), происходит эффективная ионизация газообразного рабочего вещества и образование в ускоряющем диодном зазоре плазмы с замагниченными злектро- нами и узким зарядовым спектром ИОНОВ, за счет чего и обеспечивается достижение главной цели изобретения.

Кроме того, облучая мишень, содержащую рабочее вещество в конденсированном состоянии, лазерным излучением с интенсивностью в соответствии с условием (3) получают пары рабочего вещества в диодном зазоре, благодаря чему обеспечивается расширение диапазона сортов ускоренных ионов,

При выполнении условия на скорость нарастания магнитного поля в диодном зазоре индуцируется вихревое электрическое поле напряженностью, обеспечивающей ускорение электронов до величины, превышающей потенциал ионизации атомов газообразного рабочего вещества. При этом происходят электрический пробой в рабочем газе и его эффективная ионича г,ия с образованием плотной плазмы, иопы которой имеют лекую среднюю кратность ионизации Z . Благодаря использованию нарастающего во времени магнитного поля с конфигурацией типа остроугольной ловушки происходит накопление плазмы в ловушке, и за время нарастания магнитного поля концентрация плазмы растет, достигая своего максимального значения в момент максимума магнитного поля. Сужение зарядового спектра ионов при этом обеспечивается тем, что ионы с Z,Ztp выгорают за время нарастания ма1- нитного поля, а ионы с практически не образуются, поскольку энергия электронов плазмы, обусловленная скоростью нарастания магнитного поля, недостаточно высока для этого.

Эффективное ускорение ионов плазмы в поперечном магнитном поле в ускоряющем заяоре обеспечивается при условии, когда ларморовский радиус электронов мног о меньше, а ларморовский рад1г/с ионов больше размеров этого аазо;;. Это достигается в предлагаемом способе за счет создания в диодном зазоре остроугольной магнитной лоьутпкл: . параметрами, удовлетворяющими услочиям (1, 2). Благодари

тому, что ускорение ионов при этом происходит в квазииейтральной плазме в момент достижения магн1ттным полем своего максимального значения сиима- ется ограничение на тока ускоренных ионов объемным зарядом, что позволяет увеличить плотность ионног тока на 3-4 порядка по сравнению с прототипом.

Таким образом, при воздействии на газообразное рабочее вещество бы- стронарастающего магнитного поля остроугольной геометрии по-данному способу F ускоряющем зазоре создается плазма с заданными параметрами и обепечиваются необходимые условия для генерации сильноточных ионных пучков

В качестве газообразного рабочего вещества по предлагаемому способу могут быть использованы различные газы, напускаемые импульсным натекате- лем в диодн1,1Й промежуток, либо пары различных веществ, содержащихся в конденсированном состоянии на поверхности мигаени, облучаемой импульсным лазерным излучением. Для обеспечения требуемого режима испаре- Г.НЯ интенсивность лазерного излучения q (Вт/м) должна удивлетворять cooTHomeHiTO (3),

Практическая реализация способа поясняется схемами на фиг, I и 2.

Для генерации сильноточных пучков ионов газообразных веществ рабочий газ (например, азот, яргон, ксенон) с помощью импульсного натекателя 1 (фиг, 1) через полый трубчатый анод 2 подается о ускоряющ1то диодный зазор между анодом 2 и полым цилиндрическим катодом 3, размещенными в вакуумной камере А, где с помощью магнитных катушек 5 создается быстрона- растающее магнитное поле типа остроугольной магнитной ловушки с магнитными силовыми линиями 6, Ионизация гп за в ускоряющем промежутке осуществляется под действием вкхреыого электрического поля, индуцируемого катушками 5, Образопапшийся при этом сгусток плазмы является ийточ п1ком пучка ионов со средней кратностью исшиза- ции Zfy , Для формирования сильноточных ионных пучков в момент времени, соответстзукгдий максим.члмшму значению магнитного поля В, между анодом 2 и катодом 3 от генератора 7 подается импульс ускоряюшего напряжения с

амплитудой Up и длительностью ,

l9 iв

где Д1 - время нарастания магнитного поля. При начальной концентрации рабочего газа в ускоряющем зазоре на уровне lO -JO , а средняя кратность ионизации ионов Zf 3-4, В этом случае для генерац|ш ионных пучков с плотностью тока А/м ускоряющее напряжение Ug должно иметь величину В при длительности импульса 10 с.максимальном значении BO IT и времени иарастан.чя поля jit i 10 с концентрация плазмы достигает величины, больтей или равной 15 0 %-

Ш

0

5

0

Для расширения диапазона сортов ускоренных ионов плазму создают из паров рабочего вещества, содержащегося в конденсированном состоянии на поверхности мютени, облучая ее лазерным излучением с интенсивностью в соответствии с условиями (3), Для этого излучение от лазера 8 (фиг,2) с помощью линзы 9 фокус«труют на мишень 10, размещенную в вакуумной камере 4, Образ 1ощиеся при этом пары рабочего вещества 1I заполняют ускоряющий промежуток между анодом 2 и катодом 3, где с помощью импульсiifcix магнитных катушрк i созд-1Рт:я быстро- нарлстающеп мт нитное поле остроугольной геометрии. Ионизация пяров г коряютем промежутке ос ущестпля( тся под действием вихревого з Т1 Ктрическо- го поля, вс зникя отего при изменении магнитког о потока остроугольной лопушки с мл ;итньгми силовыми линиями 6, Образогашпяяся плазма является источником ионов, формируег-лгх при приложении импульса ускоряющего напряжения от геиегатора /, Дпп фор- мипования интенсивных пучков тяжельгх ионов (А 200) с плотностью тока 10 -10 А/м необходимо в ускоряюгдем g промежутке создать плазму с плгтно- гтью 10 м что достигается л данном способе при плотности паров в остроугольной магнитной лопушке на уровне 10 м. Требуемая плотность паров обеспечивается облучении свикцолой М ппени лазерным нплу емием q с иитенсивностью - 10 Вт/м и длительностью импульса 0,5-1 мкс. При q 10 -10 Вт/м испарения нет, а 5 f P Вт/м происходит лазерный пробой с образоэопанием лазерной плазмы. Для зффективной ионизации паров скорость нарастания магнитного поля в остроугольной лопушке долж5

o

на выть не менее 10 Т/с (см, форму- Лу (1 при среднем радиусе ловугакн 3 |{Г м, что при длительности нарастания поля требует создания магнитных полей на уровне Т. При dB/dt 10 Т/с вел«гчина напряженности электрического поля в остроугольной магнитной ловутпке недостаточна для ионизации паров. Ускоряющее напряжение с амплитудой и длительностью , прикладываемое к анод-катодному промежутку, включается в момент достижения магнитным полем максимального значения Т, когда плотность плазмы максимальна (л-Ю м) , а средняя кратность ионизации ионов , При этом на выходе ускоряющего промежутка формируется поток ионов с плотностью тока ш-10 А/м и энергией МэВ/заряд. При ускоряющих напряжениях более 10 В и выбранных najpa- метрах ловушки (В, I Т, м) не выполняется условие (2) на замаг- нпченность электронов, и ускорение ионов становится не эффективным.

Формула изобретения

1. Способ генерации пучка ионов, включающий создание плазмы в ускоряющем диодном зазоре с последукяцим приложением к нему импульса ускоряющего напряжения, отличающи с я тем, что, с целью повышения качества пучка путем увеличения плотности ионного тока и уменьшения энергетического и зарядового разброса ионов, а такт-е расширения диапазона сорта ионов, плазму создают после заполнения ускоряющего диодного зазора газообразным рабочим веществом, воздействуя на него быстроВ

й-71958

нарастающим магнитшпи полем с геометрией типа остроугольной ловушки, а импульс ускоряющего напряжения подают в момент достижения магнитным полем своего максимального значения, и при этом выполняются условия

dB/dtv З-IO /RO;

10

m,

,/(и;€П, ,n,

15

20

25

30

35

40

где dB/dt - скорость нарастания магнитного ПОЛЛ (Т/с); RO - средний радиус магнитной

ловушки (м);

Вр - максимальное значение магнитного поля (т) ; Ug - амплитуда импульса ускоряющего напряжения (В); mp/(ti; - отношение масс электрона

н иона,

2, Способ П ) 11 Ij о т л и ч t - ю щ и и с я тем, что мютень, со;,ер- жащую рабочее вещество п конденсированном состоянии, облучают лазерным излучением, ннтенсипность которого на новерхностн мншенн удовлетворяет условию

11 А-|с7 / 1 OR q,ft7/9e 61, pic Г,

где А - атсптый гее вещества;

А - удельная теплота исплре-ния, (Дж/кг);

R - универсальная газовая постоянная,равная 8, 3 Дж/град-МО 1ь;

С; - ионная теплоемкость

(Дж/м - град) ; р - плотность (кг/м );

ЭСр- коэффициент электронной теплопроводности вещества мишени (Дж/м-с-град);

t - длительность лазерного импульса (с);

q - интенсивность излучения (Вт/мЪ.

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при разработке сильноточных импульсных ускорителей тяжелых ионов, необходимых для проведения исследований в области термоядерного си1:те- за. Цель изобретения - повьппение качества пучка - достигается пу7ем увеличения плотности ионного тока и уменьшения энергетического и зарядового разброса ионов, л также расширение диапазона сортов ионов. Дпя генерации сильноточньпс пучков ионов газообразных веществ ра 1очий газ, например азот, аргон, ксенон, с помощью импульсного натекателя 1 через трубчат1.|й анод 2 подастся в ускоря- 10ЩИЙ диодный зазор между анодом 2 и иипиндрически катодом 3, размещенными в вакуумной камере 4. В камере магнитными катуикагга 5 создается нарастающее поле с магнитными гиловыми линиями 6. Ионизация газа в ус(соряюп1ем промежутке осуществляется под поздействием вихревого магнитного поля, создаваемого ка- тутпками 5. Образовавшийся при зтом сгусток плаььгь является источником пучка ионов. Образующиеся пары рабочего вещества I1 заполняют промежуток между анодом 2 и катодом 3. 1 3.п. ф-лы, 2 ил, а 9 (Л СП о si со ел (pttil

Составитель В«Краснопольский

Редактор Т.Юрчикова Техред Л.Олнйяык

Заказ 4338Тираж 666Подписное

ВШИЛИ Государственного коьштета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, , Раушская яаО., д. 4/5

фи1.2

Корректор М.Васильева