СПОСОБ УСКОРЕНИЯ НЕЙТРАЛЬНЫХ АТОМОВ ИЛИ МОЛЕКУЛ Советский патент 1971 года по МПК H05H3/00 H05H7/00 

Изобретение относится к технике ускорения нейтральных частиц. В патентно-технической литературе есть сведения об использовании таких пучков для травления поверхностей, для изучения явлений пластической деформации, для ведения полимеризации и других химических реакций, для имитации условий, которые окружают космический аппарат при полете с космической скоростью через атмосферу, в кристаллографии - для выращивания чистых кристаллов и т. д.

Известны, по крайней мере, два способа создания ускоренных пучков нейтральных атомов или молекул. Это, например, способ непосредственного нагревания вещества, молекулы которого необходимо ускорить.

Недостатками этого способа являются сравнительно низкие энергии ускоренных молекул, ие превосходящие 0,05-0,3 эв, и недостаточная монохроматичность пучка.

Другим способом создания ускоренного пучка нейтральных частиц является ускорение ионов электрическим полем с последующей их перезарядкой на нейтральном газе или рекомбинацией с ионами противоположного знака. Основным недостатком этого способа является малая интенсивность .потока, обусловленная малыми сечениями перезарядки или рекомбинации.

Цель изобретения - создание интенсивных монохроматичных молекулярных потоков с энергией частиц, превышающей энергию, получаемую непосредственным нагревом.

Для рещения поставленной задачи предлагается способ ускорения нейтральных атомов или молекул на основе взаимодействия их дипольных электрических или магнитных моментов с электрическим или магнитным полями.

В качестве инжектора при таком способе ускорения .может быть .применено любое устройство для создания нейтральных пучков, используюш.ее непосредственный нагрев. В дальнейщем будет рассматриваться только ускорение нейтральных частиц электрическим полем, хотя в принципе может быть осуществлен ускоритель, основанный иа магнитных взаимодействиях.

В электрическом поле на нейтральную частицу с отличным от нуля дипольным моментом действует сила

)E + ), (1)

где - потенциальная энергия диполя в электрическом поле; Для упрощения рассмотрения допустим, что плотность частиц относительно невелика (, что соответствует газообразному состоянию вещества при атмосферном давлении); тогда динольным взаимодействием между молекулами можно пренебречь и считать каждый диполь независимым. В этом случае действующее поле Е .почти равно полю, создаваемому внешними электродами, и поэтому в дальнейшем за Е принимается поле, созданное ускоряющей системой. В электрическом поле под действием силы F электрический диполь движется в .область с максимальной напряженностью, где его потенциальная энергия минимальна. При этом он приобретает кинетическую энергию. Однако приращение кинетической энергии диполя, ускоряемого статическим электрическим полем, оказывается чрезвычайно малым в связи с техническими трудностями создания электрических полей высокой напряженности. Действительно, например, молекула с дипольным моментом при переходе из области с 0 в область с 150-300 ке/сл приобретает кинетическую энергию (5- -10)-10 эв. Очевидно, что для сообщения частицам энергии, превышающей достигаемую при непосредственном нагреве, необходимо использовать многократное ускорение, как это делается, например, в линейных ускорителях заряженных частиц. В отличие от заряженных частиц величина и знак дипольного момента нейтральных частиц являются функциями электрического поля. Это приводит к некоторым особенностям при ускорении нейтральных частиц. Для выяснения этих особенностей напишем уравнение движения частицы с дипольным моментом Р и массой т в поле силы F 7)Е + рх (V), где V - скорость частицы. Так как под действием электрического поля происходит пространственная ориентация диполей и возбуждение индуцированного дипольного момента, то уравнение движения необходимо дополнить выражением для дипольного момента. Дипольный момент определяется путем дифференцирования энергии частиц, находящейся в определенном квантовом состоянии, по электрическому полю:

В относительно слабом электрическом поле для большинства молекул дипольный момент пропорционален электрическому полю, поэтому в дальнейшем будем полагать висящий от квантового состояния частицы (а нринимать как положительные, так и отрицательные значения). С учетом выражения (4) уравнение (2) можно записать в виде: :d-grad .(5) Из выражения (5) видно, что, во-первых, диполь можно ускорить только неоднородным электрическим полем и, во-вторых, изменение знака поля не оказывается на направлении силы, так как под градиентом стоит Е. На фиг. 1 показаиа качественная картина поведения нейтральных молекул в некотором неоднородном электрическом поле, создаваемом электродами. На фиг. 1 молекулы изображены в виде диполей /, 2, 3, 4, 5 vi 6, расположенных в различных точках пространства. В соответствии с направлением сил F диполи 2 и 5, находящиеся на оси У, будут ускоряться вдоль этой оси к центру координат О, а диполи /, 5, 4 и 6 будут приближаться к электродам, где напряженность электрического поля достигает наибольшей величины (такое положение имеет место всегда в силу известных свойств решения уравнения Лапласа, которому удовлетворяет поле в междуэлектродном пространстве). Как уже указывалось выше, изменение полярности электродов не изменяет направления действующих на диполи сил. Поэтому, если ускоряющая система представляет собой периодическую структуру, состоящую из п идентичных ускоряющих промежутков, аналогичных изображенным на фиг. 1, то можно осуществить непрерывное и устойчивое ускорение диполей, например 7, 2 и 3 в положительном направлении оси Y, только полем бегущей волны. Действительно, пусть имеется бегущая волна электрического поля вида: Е (х, у, t) Е (х, у sin (wt ky), (6) где К -волновое число; Vy - фазо увая скорость волны. После подстановки выражения (6) в уравнение (5) для проекции силы на ось У получим:Fy-F(x,y) + F(x.y sin2(t-ky+ -), F,(x.y a.E(x.y) (У РШ (« у} - (Х. у X

для силы можно представить в виде двух слагаемых, одно из которых не зависит от времени и поэтому не может ускорять диполи в одном направлении (эта составляющая приводит к колебательному движению диполей относительно равновесной точки), а второе представляет собой бегущую волну, изменяющуюся с двойной частотой относительно частоты поля. Так как величина постоянной составляющей меньше амллитуды бегущей волны, то все диполи, имеющие скорость, равную фазовой скорости волны поля, будут непрерывно ускоряться, испытывая продольные колебания относительно равновесной траектории. Однако равновесие ни одной из ускоряемых частиц не является устойчивым в поперечном направлении, и .поэтому для предотвращения ухода частиц на электроды, создающие ускоряющее поле, необходимо применять специальную фокусирующую систему.

Теперь рассмотрим стоячую волну электрического поля

Е (х, y,f) E (х, у) sin ky sin wL (8) После подстановки в уравнение (5) получим:

F,{x,y, t)2a j(, ,/) -М-

- Е„ (X, у) У cos 2Ау + ду

kEl, (k, у) sin 2% 1 sincuzf.(9)

Это выражение Представляет собой суперпозицию постоянной составляющей, изменяющейся по гармоническому закону, и двух бегущих волн, распространяющихся в противоположные стороны с одинаковыми фазовыми скоростями. Но так как амплитуда бегущих волн меньше постоянной составляющей, то ускорение частиц в этом случае невозможно. Движение частиц будет иметь колебательный характер около фиксированного положения равновесия. Этот результат является следствием квадратичной зависимости функции, стоящей под знаком градиента, от напряженности электрического поля.

Однако это явление может быть устранено, если при перемене знака неоднородного поля ориентация диполей не изменяется. Для сохранения неизменной ориентации диполя в переменном неоднородном электрическом поле можно использовать наряду с ним однородное электрическое поле, которое, как будет показано дальше, в общем случае должно быть пульсирующим.

При наличии такого однородного поля и при соответствующей его ориентации относительно переменного неоднородного поля можно наряду с ускорением одновременно осуществить и фокусировку частиц.

В применении пульсирующего однородного поля заключается основная отличительная особенность предложения.

Для выяснения сути предлагаемого способа ускорения молекулярных пучков рассмотрим поведение диполей в межэлектродном пространстве при одновременно действующих переменном неоднородном поле fi и статическом однородном ЕО, как показано на фиг. 2. В этом случае направление действия сил на диполь не изменится, увеличится лишь величина ускоряющей силы за счет появления дополнительного дипольного момента в соответствии с выражением (4). С другой стороны, диполи оказываются теперь жестко привязанными по направлению к силовым линиям однородного поля, если выполнено условие , а точнее ориентация диполей зависит от суммарного электрического ;поля, в то время как действующие на диполь силы по-прежнему определяются его неоднородной компонентой.

Если теперь изменить направление вектора напряженности неоднородного электрического поля на обратное (фиг. 3), то направление действующих на диполь сил также изменится на обратное при выполнении указанного выше условия При этом диполи, ускорявшиеся согласно фиг. 2 к плоскости 0, будут ускоряться от этой плоскости. Из фиг. 3 видно также, что все диполи (или по крайней мере в параксиальной области) должны двигаться по направлению к .оси Y, т. е. на диполи наряду с ускоряющими силами действуют и фокусирующие силы, предотвращающие уход частиц на электроды ускоряющей системы.

На фиг. 2, 3 показано среднее положение диполей относительно суммарного поля (когда вращательный момент равен нулю). Во время движения в ускоряющей системе диполи испытывают вращательные колебания около этого положения. С математической точки зрения, изменение направления действующих на диполь сил при перемене знака неоднородного поля связано с появлением в выражении для 2 члена, линейного относительно .1.

Действительно, пусть составляющие электрического поля по осям координат X Y выражаются через некоторые безразмерные функции р1 и Р2, зависящие от координат и времени

E.,, + ,(x,y,fy,

(10) Ey E,,(x,y,t).

Составляющей Е пренебрегаем, что допустимо вдали от краев ускоряющей системы. Для упрощения расчетов положим также

Рг(л.г/,«1 И 8,(л;, у, 0«1,

по крайней мере, в области, прилегающей к оси Y. Тогда, пренебрегая квадратичными по р.1 и РЕ членами в выражении для квадрата модуля вектора напряженности электрического поля,получим: Появление в выражении (И) члена линейного неоднородного электрического поля приводит, как было сказано выше, к изменению направления действующих сил при изменении знака неоднородного поля. Теперь уравнение движения принимает вид: m a ggradp,. Решение этого уравнения определяется конкретным видом функции PI. Однако вне зависимости от этого можно произвести качественный анализ уравнения движения, исходя из обш,их свойств функции р,1. 3,p,(,y)sin(-), то область неоднородности будет перемещаться в пространстве с фазовой скоростью V. Если эта скорость равна скорости частиц, то они будут непрерывно ускоряться аналогично ускорению заряженных частиц в ускорителях с бегущей волной.При этом на ту часть потока, которая входит в ускоряющий элемент в фазе волны, соответствующей фиг. 3, будут действовать фокусирующие силы, чего не было бы при отсутствии однородного поля. Для создания бегущей волны в общем случае нужна замедляющая система с переменной фазовой скоростью, однако, используя свойство комбинации однородного и переменного неоднородного полей изменять направление действующих на диполь сил, можно обойтись и простой периодической структурой, между элементами которой приложено переменное напряжение в одной и той же фазе, т. е. осуществить ускоритель на стоячей волне. В этом случае функция p.i имеет вид: PI ZZ р, (х, у) sin ky sin ш/, и поэтому выражение для силы А- можно представить в виде суперпозиции бегущих волн. При этом, если частицы входят в пространство ускорения в фазе, соответствующей фиг. 2, то на них действует сила в положительном направлении оси У. Одновременно на поток действуют расфокусирующие силы. Если при переходе частиц через ось X изменить направление неоднородного поля, как показано на фиг. 3, то направление ускоряющих сил не изменится, а на поток будут действовать фокусирующие силы. Так как в выражение для Е входят .квадратичные относительно р1 и р2 члены, которыми мы для упрощения рассмотрения пренебрегли, то в действительности фокусирующие силы оказываются меньще дефокусирующих. Для компенсации нежелательного эффекта дефокусировки можно добавить к постоянному однородному электрическому полю переменную составляющую. ЕслиЕО - Ei (1 - f sin (В/), где 7 - некоторый безразмерный -коэффициент, то o(I+2pi + P +P2-TW. (13) Если выполняется соотношение то фокусирующие силы будут превосходить дефокусирующие. Таким образом молекулярный пучок можно непрерывно ускорять и полем стоячей волны при одновременном выполнении условий фокусировки. В заключение приведем соотношение для энергии, приобретаемой диполем при пролете одного периода ускоряющей системы: .ElL, dy значение - среднее производной функции на длине периода, а L - длина риода. Например, при L l еж и fo dy 150 ка/см для ) получим: 8U7 0,5-10-Se. Все дальнейшие расчеты можно производить, пользуясь теорией линейных ускорителей заряженных частиц. Предмет изобретения 1.Способ ускорения нейтральных атомов или молекул на основе использования периодической ускоряющей структуры, создающей переменное неоднородное электрическое поле, отличающийся тем, что, с целью получения непрерывного ускорения с одновременной фокусировкой, на ускоряющее переменное неоднородное электрическое поле накладывают однородное электрическое поле такой величины, которая обеспечивает неизменную ориентацию электрических диполей в пространстве при периодическом изменении направления неоднородного электрического поля. 2.Способ ПО п. 1, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности фокусировки, однородное электрическое поле имеет переменную составляющую.