Способ получения пучка отрицательных поляризованных ионов водорода Советский патент 1993 года по МПК G21K1/16 

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для получения пучков отрицательных ионов в источниках поляризованных частиц.

Отрицательные поляризованные ионы получают способом двойной перезарядки положительных ионов в отрицательные при прохождении пучка через газовую мишень. Мишень находится в магнитном поле, которое препятствует деполяризации ионов.

Аналогичный способ используют в лазерных источниках, где на газовой мишени перезаряжают в отрицательные ионы пучок поляризованных нейтральных атомов с энергией около 5 кэВ.

Интенсивность пучков отрицательных ионов, получаемых данными способами, определяется эффективностью перезарядки, под которой понимают отношение потока

отрицательных ионов после перезарядной мишени к потоку частиц, инжектируемых в мишень.

Для получения поляризованных отрицательных ионов водорода чаще всего используют перезарядку пучка поляризованных протонов на натриевой мишени. Эффективность перезарядки для этогр случая равна 5-10 %. Поэтому интенсивность пучков поляризованных отрицательных ионов водорода, получаемых данным способом, более чем на порядок меньше интенсивности пучков поляризованных протонов. Такое же со- отношение имеется и в лазерных источниках поляризованных отрицательных ионов водорода.

В источниках классического типа с атомарным пучком для получения поляризованных отрицательных ионов водорода

VI

ю о о о VI

используется способ встречных пучков, заключающийся в том, что в область с продольным магнитным полем инжектируются пучки поляризованных атомов водорода с тепловой энергией и нейтральных атомов цезия с энергией 50 кэВ 3. Этот способ принят за прототип предлагаемого изобретения. ...

Выданном способе поляризованные отрицательные ионы водорода получаются в рёз ль а рё а кции захвата атомом водорода с вяз§Шбгв электрона у атома цезия:

H°t + Cs° H-t+Cs+.

Возникающие в результате реакции перезарядки поляризованные отрицательные ионы водорода ускоряются слабым электрическим полем, создаваемым в области стол- кновения пучков, по направлению к ионно-оптической системе, в которой они ускоряются до энергии порядка 10 кэВ и затем выводятся из источника. Сечение реакции (1) (TQ равно 3-10 1бсм2. Эффективность ионизации / поляризованных атомов водорода в данном способе равна:

1 - 1о о0 т,

где 10 - плотность потока атомов цезия в области столкновения пучков;

т L/V - , в течение которого атом водорода находится в области столкновения пучков;

L - длина области столкновения пучков;

V - средняя скорость атомов водорода.

По данным работы jo 6-101 , а0 3-10 16см2, 30см, V 105см-с 1 и из формулы (2) имеем: / , то есть в отрицательные ионы в данном способе конвертируется лишь малая часть (0,5%) поляризованных атомов водорода. Интенсивность пучков, получаемых данным способом, равна 30 мкА и, несмотря на относительно низкую эффективность, ионизации, сравнима с интенсивностью источников, работающих на основе других вышерассмотренных способов. Это связано с тем, что в данном способе отрицательные поляризованные ионы генерируются непосредственно из интенсивного пучка тепловых поляризованных атомов водорода.

Целью изобретения является повышение интенсивности пучка поляризованных отрицательных ионов водорода.

Способ заключается в том, что в область с продольным магнитным и электрическим полями в вакууме инжектируются встречные пучки поляризованных атомов водоро

да с тепловой энергией и нейтральных щелочных атомов; образующиеся в области пересечения пучков поляризованные отрицательные ионы направляются к иоино5 оптической системе, в которой ускоряются до кэвных энергий, причем в области пересечения пучков щелочные атомы переводятся в возбужденное состояние излучением, длина волны которого выбирается исходя из

10 того, чтобы потенциал ионизации возбужденного атома был близок по абсолютной величине к энергии сродства к электрону атома водорода (0,754 эВ).

Изобретение иллюстрируется следую15 щим примером, в котором в качестве донор- ного пучка щелочных атомов рассматривается пучок атомов цезия.

На чертеже показан способ получения отрицательных поляризованных ионов.

20Область ионизации 1 находится в продольном магнитном поле, создаваемом соленоидом 2. В этой области катушкой 3 создается также электрические поле. В область ионизации инжектируется пучок поля25 ризованных атомов водорода с тепловой энергией и, во встречном направлении, пучок атомов цезия. Коллинеарно с пучком атомов цезия распространяется лазерное излучение от перестраиваемого лазера, ко30 торым в атомах цезия индуцируются резонансные переходы, что приводит к появлению а в цезиевом пучке возбужденных атомов. В данном примере длина волны

о

35 равна 3876,1 А. Излучением такой длины волны в атомах цезия индуцируются переходы 651/2- 8Рз/2. Может быть использовано излучение другой длины волны, например, с о

4Q Я 3888,6 А, при этом будут индуцироваться переходы 6Si/2 - 8Pi/2. В области ионизации происходит образование поляризованных отрицательных ионов водорода путем реакций:

45 H°t+Cs° H t+Cs+,

H°t+Cs° H-t+Cs+,

(3)

где Cs° и Cs° - атомы цезия в основном и возбужденном состояниях соответственно. Образующиеся поляризованные отрицательные ионы водорода имеют низкую энергию (доли электронвольта) и удерживаются

в радиальном направлении магнитным полем соленоида. В аксиальном направлении ионы ускоряются слабым электрическим полем, создаваемым катушкой 3, по направлению к ионно-оптической системе 4, где ионы ускоряются до энергии порядка 10 кэВ. Далее пучок ускоренных отрицательных ионов поворачивается на угол 90° электростатическим зеркалом 5 и выводится из источника.

Эффективность ионизации поляризованных атомов водорода в данном способе и, следовательно, интенсивность пучка поляризованных отрицательных ионов водорода определяется по формуле:

ц rZ a,

нии равна 3,89 эВ, и величина д Е 3,14 эВ. Для возбужденных состояний атомов цезия уменьшается энергия ионизации и величина д Ј. В частности для состояния 8Pi/a:

Ји 0,69 эВ и 6 е 0,06 эВ.

Сечение захвата связанного электрона определяется приближенной формулой:

(4)

а АлеА (кубе1.

(5)

Использование: в ускорительной технике. Сущность изобретения: в область с продольными магнитным и электрическим полями в вакууме инжектируются встречные пучки поляризованных атомов с тепловой энергией и нейтральных щелочных атомов. Образующиеся в области пересеченных пучков отрицательные поляризованные ионы направляются в ионно-оптическую систему, в которойус- коряются до кэВ-ных энергий. Причем в области пересечения пучков щелочные атомы переводятся в возбужденное состояние лазерным излучением с частотой перехода атома из основного состояния в возбужденное. 1 ил. со с

где h - плотность потока атомов цезия, находящихся в i-ом возбужденном состоянии;

0j - сечение захвата атомом водорода связанного электрона у атома цезия, который находится в i-ом возбужденном состоянии.

Даже если атомы цезия возбуждаются изучением в одно состояние, в пучке будут находиться атомы цезия в разных возбужденных состояниях из-за того, что атомы цезия будут испытывать спонтанные ступенчатые переходы из верхнего возбужден- ного состояния в основное. Если (J 0Ь (для i 1), то ff0 (2 ii а а0 ) 0 а0 , то есть в данном способе эффективность ионизации поляризованных атомов больше, чем в способе принятом за прототип, если сечение захвата связанного электрона поляризованным атомом у возбужденных щелочных атомов больше, чем сечение захвата электрона у щелочных атомов в основном состоянии.

Сечение рассматриваемого процесса зависит от величины д к еи - ЕС , где еи - энергия ионизации щелочного атома; Јс - энергия сродства к электрону поляризованного атома водорода.

Для атома водорода Јс 0,75 эВ, энергия ионизации атома цезия в основном состояФормула изобретения

Способ получения пучка отрицательных поляризованных ионов водорода, заключающийся в инжектировании в область ионизации поляризованных атомов водорода с тепловой энергией и нейтральных атомов щелочного металла, направлении образующихся отрицательных поляризованных ионов водорода в ионно-оптическую систе0

0

5

0

где е - заряд электрона;

I (/с) - некоторая функция безразмерного параметра /с.

И з формулы (5) следует, что сечение захвата увеличивается при уменьшении величины дЈ, поэтому, в частности, для возбужденных атомов цезия сечение процесса захвата связанного электрона больше, чем для атома цезия в основном состоянии. Следует отметить также, что атомы цезия имеют наименьший потенциал ионизации, чем j. объясняется использование именно пучка атомов цезия в рассматриваемом способе встречных пучков.

Следовательно, эффективность ионизации атомов водорода в предлагаемом способе больше, чем в способе, принятом за прототип.

При этом для высоковозбужденных атомов цезия, в том числе и для атомов цезия в состоянии 8Р, реакция захвата связанного электрона атомом водорода становится экзотермичной, то есть она протекает с выделением энергии и является беспороговой, поэтому возбужденные атомы цезия могут иметь низкую энергию, в частности пучок возбужденных атомов может быть тепловым.

му и их ускорении в ней до энергий в диапазоне кэВ, отличающийся тем, что, с целью повышения интенсивности получаемого пучка, атомы щелочного металла переводят в возбужденное состояние

излучением, длина волны которого выбрана из условия близости потенциала ионизации возбужденного атома по абсолютной величине к энергии сродства атома водорода к электрону.