дельную частицу пучка зависел от се индивидуального движения.
Таким образом, решение задач как формирования, так и замедления атомных пучков зависит от возможности уменьшения фазового объема пучков.
Важной характеристикой любого способа уменьшения фазового объема является время, в течение которого происходит это уменьшение, что особенно суш,ественно в экспериментах с пучками короткоживущих частиц.
Известен способ, так называемого, «стохастического уменьшения фазового объема пучка ионов в циклических ускорителях 1.
Это достигается путем введения в цикл ускорения быстрой электронной обратной связи, за счет которой уменьшается поперечная составляющая фазового объема пучка иоиов при неизменной продольной составляющей. Степень уменьшения фазового объема во многом определяется качеством сложной электронной схемы обратной связи.
Однако этот способ сложен, может быть применен только для циклических ускорителей ионов и непригоден при работе с пучками нейтральных атомов.
Известен также способ уменьшения фазового объема пучков протонов за счет «электронного охлаждения 2. Энергетический разброс пучка протонов и его фазовый объем можно охарактеризовать эффективной температурой
т;,-Л1/,,2
D )
где Шр - масса протона;
ДУр - разброс по скоростям протонов в пучке.
Тогда пучок можно рассматривать как движущийся «протонный газ с температурой Тр. Уменьшение фазового объема пучка протонов способом «электронного охлаждения осуществляется путем введения параллельно протонному пучку пучка электронов с той же скоростью, но с гораздо меньщим энергетическим разбросом. Это означает, что температура движущегося «электронного газа равна
/ПеАУ,Гр
.. 2 где /Пе - масса электрона;
AVe - разброс электронов по скоростям.
Таким образом ,Тр. При взаимодействии протонов с электронами происходит выравнивание температур обоих газов и, следовательно, охлаждение протонного пучка, что уменьшает фазовый объем пучка ппотонов.
Роль диссипативных сил трения здесь играет кулоновское взаимодействие протонов и электронов. Температура «электронного газа равна 0/2x5, что соответствует тепловому разбросу при 2300° К. Это обстоятельство, а также трудности формирования электронных пучков большой плотности с энергиями до сотен электроновольт (что соответствует энергии ионов до десятков МэВ) из-за кулоновского расталкивания делают невозможны.м применение данного способа в области низких энергий ионных пучков.
Р1спользование этого способа для уменьщения фазового объема пучка ионов затрудняется также ионэлектронной рекомбинацией, приводящей к потере интенсивности ионного нучка. Для исключения этого вместо электронов используют «холодный протонный пучок, получение которого сопряжено с большими техническими трудностями.
Кроме того, способ «электронного охлаждения реализован только для пучков
в циклических ускорителях, он непригоден для уменьщения фазового объема пучкоз нейтральных атомов, а зал едление пучка ионов этим способом до тепловых энергий принципиально невозможно.
Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ уменьшения фазового объема атомного пучка, используемый на ISOLDE в ЦЕРНе 3. Уменьшение фазового объема по этому
способу достигается путем приложения к пучку атомов диссипативных сил трения за счет атом-атомных столкновений частиц пучка с атомами твердой фольги, приводящих к замедлению и охлаждению пучка.
При замедлении в твердом веществе частицы пучка внедряются в него. Для осуществления эффективной диффузии частиц пучка к поверхности фольги и испарения с нее, фольгу разогревают до высокой температуры (около 2000°/С). Время на диффузии атомов пучка до их испарения из фольги составляют от 100 мс до десятков секунд. Недостатком этого способа является ограниченность области его применения. Так,
способ может быть применен только с такими ионными пучками, для которых первые потенциалы ионизации атомов меньше 7 эВ. Доля таких атомов составляет лишь небольщую часть от всех атомов, ионные
пучки которых нужны для физических исследований. Это связано с тем, что эффективно поверхностная ионизация происходит лишь в том случае, когда потенциал ионизации испаряющихся атомов меньше рабО
ты выхода электрона из вещества фольги. Но даже при выполнении этого условия максимум 60-80% атомов испаряются в ионизованном состоянии. Кроме того, из-за равновероятности направлений диффузии
из фольги и в фольгу меньше 50% атомов
окажутся у повер::пости ;: петрят- ;; за время порядка 00 мс. Таким образом, интенсивность вторичного атомного пучка составляет в лучшем случае 30-40% от интенсивности исходного пучка атомов. Значительное время диффузии ограничивает использование способа для пучков короткоживущих атомов с временем жизни меньшим 100 мс. Немонохроматичность по энергии получаемого пучка определяется тепловым разбросом при температуре порядка 2000° К. Угловой разброс при этом составляет 90°, т. е. во все полупространство перед фольгой.
Целью изобретения является повышение эффективности и ускорение процесса уменьшения фазового объема пучка.
Указанная цель достигается тем, что по предложенному способу уменьшения фазового объема атомного пучка, заключающемуся в его замедлении и охлаждении за счет атом-атомных столкновений, вводят в сверхзвуковую струю газа. Для уменьшения энергии, углового и энергетическогоразбросов атомного пучка газ сверхзвуковой струн предварительно охлажда от.
На чертеже представлена схема устройства, реализующего нредлагае.мый способ.
Устройство состоит из аксиально симметричного сверхзвукового сопла Лаваля 1, камеры смешения 2, входного канала 3, сужающегося сопла 4 и отводного «стакана 5.
Выходящая из радиального сопла 1 сверхзвуковая струя газа, например Не, занолняет камеру смешения 2. Пучок атомов вводят через канал 3 в область, занятую сверхзвуковой струей. Частицы пучка за счет столкновений с атомами газовой струи теряют свою энергию и замедляются до скорости, соответствующей скорости распространения сверхзвуковой струи. Одновременно происходит охлаждение пучка до температуры газа струи. Замедлеппые атомы пучка подхватываются струей газа и вместе с ней ностунают в сопло 4, где происходит замедление сверхзвуковой струи и, следовательно, атомов пучка за счет сужающегося профиля сопла. Выходящий в вакуум из сопла 4 поток газа расширяется. Нриче.м угловой разброс частиц газа определяется только массой частиц и теиловымн флуктуациями скорости относительно поступательного движения истечения газа в вакуум.
С помонд,ью сужающегося сопла пучок вместе со сверхзвуковой струей сжимают и, следовательно, добиваются дополнительного уменьшения фазового объема.
При определенном выходном сечении сул ающегося сопла и пропускании через него всего газа, выходящего из сверхзвукового сопла Лаваля, происходит «запирание сужающегося сопла избыточным количеством газа. При этом система выходит
сзсрхзвукового режима. В этом случае поперечное сечение сужающегосп сопла делают поперечного сечения сзерхзвукозой струи и таким образом осуществляют отвод избытка газа. В устройстве, представленном на чертеже, отвод делают через пространство «стаканом 5 и виещней поверхностью сужающегося сопла 4.
Для отделения основного количества газа сверхзвуковой струи от пучка атомов применяют различные системы отсекателей, что оказывается возможным из-за разности в угловых распределениях для струи газа и атомов пучка, во-первых, и из-за разности в атомных весах для газа струи и частиц нучка, во-вторых. В нервом случае такие отсекатели выиолняют в виде диафрагм, вовтором - в виде поперечной струи газа.
Использование сверхзвуковой струп газа в качестве носителя диссипативных сил треиня определяется следующими ос}ювными причинами. Изменяя давление газа на входе в сопло Лаваля, подбпрают оптимальную нлотность газа сверхзвуковой струи для эффективного замедлення, чего нельзя добиться, используя известные фольги. Используя сверхзвуковую струю газа, гюддерживают на входе в устройство достаточный вакуум, при котором пучок не размывается до попадания в струю. Это происходит из-за резкой граннцы между вакуумом и сверхзвуковой струей. Замедляя пучок в панравленно движущемся газе, сокращают время, за которое умепыиается фазовый объем пучка до 1 с. Это время определяется длиной используемого устройства и скоростью звука для газа сверхзвуковой струи. Кроме того, минимально возможный энергетический разброс пучка на выходе нспользуемого устройства определяется температурой конденсацпп газа сверхзвуковой струи. Эта температура в общем случае намного температуры фольги, необходимой для эффективного испареппя атомов по способу, пспользуемому на ISOLDE в ЦЕРН. Поэтому целесообразно выбирать газ с низкой температурой конденсации, например Не, охлаждая его до температуры жпдкого азота (1-80° К). При уменьшеннн температуры газа сверхзвуковой струп происходит уменьщение энергии и углового разброса атомного пучка на выходе устройства.
Для работы с ионными пучками используют сверхзвуковые струп таких газов, потрнниал ионизации которых бо.тьше той же величины для атомов пучка. При этом отсутствуют потери интенсивности 1 онного нучка из-за нейтрализации при перезарядке ионов пучка на нейтральных атомах газа. Таким образом, предлагаемый способ применим практически для пучков любых ионов.
Для обеспечения работы способа с пучками нейтральных атомов используют сверхзвуковые струи таких газов, при взаимодействии которых с пучками нейтральных атомов в атом-атомных столкновениях не происходит образования ионов в пучках нейтральных атомов. Таким образом, при правильном выборе газа сверхзвуковой струи предлагаемый способ уменьшения фазовых объемов пучков позволяет формировать пучки ионов и нейтральных атомов тепловых энергий с разбросами по энергии, соответствующими температуре газа сверхзвуковой струи, практически без потерь интенсивностей исходных пучков.
Формула изобретения
1. Способ уменьшения фазового объема атомного пучка, заключаюш.ийся в замедлеНИИ л охлаждении пучка за счет атоматомных столкновений, отличаюш,ийся тем, что, с целью повышения эффективности способа и ускорения процесса, атомный пучок вводят в сверхзвуковую струю газа.
2. Способ по п. 1, о т л и ч а ю ид и и с я тем, что, с целью уменьшения энергии, углового и энергетического разбросов атомного пучка, газ сверхзвуковой струи предварительно охлаждают.
Источники информации, приняты
во внимание при экспертизе:
1.Р. Bramham at all Nucl Instr. and Metli, 1975, 125, c. 201.
2.Будкер Г. И., Скринский А. М. УФН, 124, вып. 4, 1978, с. 561.
3. Internahional Couf on Nuclei Per From Stability, Geneva, 1976, p 93 (npoтотип).
He
