Источник многозарядных ионов для циклотрона Советский патент 1982 года по МПК H01J27/24 H05H11/00 

1

Изобретение относится к ускорительной технике, а более конкретно - к источникам многозарядных ионов для циклотронов, которые широко используются при проведении научных исследований в области ядерной физики и физики элементарных частиц, а также в медицине, биологии и в других прикладных областях.

Известны лазерные источники многозарядных ионов 1, которые могут применяться только как источники многозарядных ионов с внешней инжекцией в циклотроны.

Наиболее близким по своей технической сути является источник многозарядных ионов для циклотрона, содержаш,ее лазер, окно для ввода лазерного излучения внутрь циклотрона, призму и линзу, установленные на трассе луча лазера, мишень, установленную в ускоряющем зазоре циклотрона, причем нормаль к поверхности мишени в точке фокусировки лазерного излучения направлена вдоль ускоряющего зазора между дуантами. При взаимодействии сфокусированного лазерного излучения с мишенью возникает плазма, которая является источником ионов. Движение плазмы вдоль нормали к поверхности мишени, поперек магнитных силовых линий циклотрона, приводит к тому, что количество вытягиваемых и ускоряемых ионов за импульс лазера незначительно по сравнению с количеством ионов, находящихся в плазме. Это объясняется большими скоростями ионов и, 5 соответственно, малым временем пребывания их в области перед мишенью, из которой вытягиваемый пучок ионов захватывается в режим ускорения. Отклонение нормали к поверхности мишени в сторону одного из дуантов приводит к возникновению электрического пробоя в ускорительной системе циклотрона, что ухудшает надежность работы данного устройства. Нейтральные атомы, эмиттируемые с широким угловым раствором, ухудшают вакуум в ускоряющем зазоре между дуантами и в области извлечения и ускорения ионов из ллазмы, что также способствует возникновению электрического пробоя.

Целью изобретения является увеличение количества ионов, извлекаемых и ускоряемых за один импульс лазера.

Указанная цель достигается тем, что известный источник многозарядных ионов для циклотрона, содержащий лазер, окно для ввода лазерного излучения внутрь циклотрона, линзу, расположенную по ходу лазерного луча, мишень, установленную в ускоряющем зазоре циклотрона, содержит бипризму, расположенную за линзой по ходу лазерного луча, вторую мишень, установленную в ускоряющем зазоре, нричем нормали к новерхностям мишеней в точках фокусировки лазерного луча совнадают, а эмиссионная ш,ель находится в области по середине между мишенями, донолнительно источник содерл :ит металлический нолый экран, одной из стенок которого является щелевая диафрагма, при этом мишени расположены внутри экрана, а по периметру щели со стороны мишеней выполнен выступ.

На фиг. 1 представлен общий источник ионов, размещенный в ускоряющем зазоре циклотрона; на фиг. 2 - полый экран многозарядных ионов для циклотрона.

Источник многозарядных ионов для циклотрона состоит из лазера 1, окна 2 для ввода лазерного излучения внутрь камеры циклотрона, линзы 3 и бипризмы 4, установленных на трассе лазерного луча, и мишеней 5, 6. Мишени 5 и 6 представляют собой нластины, выполненные из материала, который предназначен для ионизации (например, медь). Поверхности мишеней 5 и 6 параллельны магнитным силовым линиям циклотрона. Мишени 5 и 6 номещень внутри экрана 7, изготовленного из металла (например, меди). По середине между мишенями 5 и 6 в экране 7 имеется щель, по периметру которой экран со стороны мишеней, имеет выступ 8. Па фиг. 1 и фиг. 2 также показаны дуанты 9, 10 и полюса электромагнита И, 12.

Предлагаемый источник ионов работает следующим образом. Лазер 1 генерирует импульс света, который через окно 2 поступает внутрь камеры циклотрона. Линза 3 фиксирует лазерное излучение, а бипризма 4 делит сфокусированное лазерное излучение на две равные части и установлена так, что плотность мощности лазерного излучения в точках фокусировки на мишенях 5 и 6 одинаковы, а нормали к поверхностям мишеней 5 и 6 в точках фокусировки совпадают.

Работа источника основывается на одновременном образовании лазерной плазмы на каждой из двух мишеней, расположенных так, что направление нормали к поверхностям мишени перпендикулярно внешнему магнитному полю.

Лазерная плазма, образовавшаяся на каждой из мишеней за счет процессов МГД - неустойчивости формируется в плазменный сгусток, который за счет поляризации, возникающей в сгустке, способен проходить через магнитное поле, в котором

- образуется плазма со скоростью V. При этом величина напряженности электрического поля поляризации Е определяется по

следующей формуле: Е , где V-

скорость движения плазмы поперек маГнитных силовых мишеней; В - индукция магнитного поля. Первые исследования такого процесса интерферометрической методикой показали, что лазерная плазма, образованная на плоской мишени, способна проходить в полях Я : (10-60) кЭ расстояния по крайней мере в несколько см. Плазменные сгустки, образованные при взаимодействии лазерного излучения с поверхностями мишеней 5 и 6 движутся поперек магнитных силовых линий навстречу друг другу со скоростями, равными по величине, но противоположными по направлению. Это значит, что напряженности электрических полей поляризации в вышеуказанных плазменных сгустках равны по величине, но противоположны по направлению. При столкновении сгустков электрические поля складываются и взаимно уничтожаются, что приводит к остановке разлета плазменных сгустков ноперек магнитных силовых линий в области эмиссионной щели. Отбор ионов из плазмы осуществляется ускоряющим электрическим полем, прикладываемым между экраном 7 и дуантом 9. Экран 7 предотвращает попадание нейтральных атомов и плазмы на кромки вытягивающего электрода. Выступ 8 позволяет ликвидировать проникновения нейтральных атомов в ускоряющий зазор между эмиссионной щелью и дуантом 9. Высота выступа определяется геометрией разлета нейтральной компонентой плазмы.

Таким образом, введение в устройство бипризмы, второй мишени, расположение мишеней так, что нормали к поверхностям мишеней лазерного излучения совпадают, позволяет увеличить плотность и время пребывания плазмы в области эмиссионной щели и тем самым увеличить количество извлекаемых и ускоряемых ионов из плазмы за один импульс лазера. Размещение мишеней внутри металлического экрана с эмиссионной щелью, по периметру которой на экране со стороны мишеней имеется выступ, позволяет предотвратить проникновение плазмы на кромки вытягивающего электрода и тем самым избавиться от электрических пробоев, возникающих в ускорительной системе, что позволяет улучшить условия работы.

Формула изобретения

1. Источник многозарядных ионов для циклотрона, содержащий лазер, окно для ввода лазерного излучения внутрь циклотрона, линзу, расположенную по ходу лазерного луча, мишень, установленную в ускоряющем зазоре циклотрона, отличающийся тем, что , с целью увеличения количества вытягиваемых и ускоряемых ионов за один импульс лазера, устройство

Содержит бипризму, расположенную за линзой по ходу лазерного луча, вторую мишень, установленную в ускоряющем зазоре, причем нормали к поверхностям мишеней в точках фокусировки лазерного луча совпадают, и ш,елевую диафрагму, распод:оженную по середине между мишенями.

2. Источник многозарядных ионов по п. 1, отличаюш.ийся тем, что он содержит металлический полый экран, одной из стенок которого является шелевая диафрагма, при этом мишени расположены

внутри экрана а по периметру ш,ели СО стороны мишеней выполнен выступ.

Исто.чники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР № 324938, кл. Н 01J 37/08, 1970.

2.Письма в журнал «Экспериментальной и теоретической физики. Осуществление З скорения ионов лазерной плазмы на циклотрон, т. 17, вып. 9, с. 460-463, 1973 (прототип).