МНОГОАПЕРТУРНЫЙ СОГЛАСУЮЩИЙ КАНАЛ С РАДИАЛЬНОЙ КОМПРЕССИЕЙ ПУЧКОВ ИОНОВ

Полезная модель относится к области многоканальных ускорителей заряженных частиц и может быть использована для ускорения ионов в установках плазмотехники и других устройствах ядерной техники.
Для источников ионов (ИИ) с большой атомной массой характерна генерация плазмы с низким содержанием частиц, обладающих высоким электрическим зарядом. Увеличение интенсивности ускоряемого в ускорителе пучка таких ионов достигается путем их отбора в режим ускорения из плазмы с большой площадью поверхности эмиссии. В этих случаях, для увеличения тока ускоренного пучка применяют многоканальные ускоряющие высокочастотные (ВЧ) системы (Дэвис Р, Морган О, Стюарт Л. Приборы для научных исследований, 1972, №2, с. 99). Использование в многоканальных ускорителях многоапертурных согласующих каналов позволяет увеличивать отбор ионов в режим ускорения из плазмы. В известных конструкциях многоапертурных согласующих каналов площадь апертур, через которые осуществляется экстракция ионов из плазмы и их транспортировка к ВЧ ускоряющим системам, не превышает площадь апертур ускоряющих каналов ВЧ систем, которая ограничивается известными в ускорительной технике факторами.
Известен многоапертурный согласующий канал для многолучевого ускорителя ионов (Кондратьев Б.К., Кушин В.В., Плотников С.В. и др., Инжектор для многолучевого ускорителя протонов. ПТЭ 2004. №4, с. 5-13). Недостатки данного канала заключаются в низкой величине ускоренного в ускорителе тока пучка ионов, что вызвано малой площадью апертур, осуществляющих отбор ионов из плазмы.
Известна многоапертурная ионно-оптическая система, состоящая из нескольких обечаек, в которых выполнены соосно расположенные апертуры одинакового диаметра и на обечайки подано электрическое напряжение с различной величиной электрических потенциалов (Кондратьев Б.К., Турчин А.В., Турчин В.И., и др. Модернизация инжектора многолучевого ускорителя протонов, ПТЭ 2009, №4, с. 29-41). Недостатки данного устройства состоят в ограниченной площади отбора ионов из плазмы и малой величине тока ускоренного пучка ионов.
Наиболее близким аналогом предложенному техническому решению, принятым за прототип, является многоапертурный инжектор ионов с поперечным сведением пучков (Боголюбов Е.П., Бобылев В.Т., Кузнецов В.А. и др., Возможность повышения эффективности нейтронного генератора за счет использования многолучевой системы инжекции дейтронов, Сборник материалов межотраслевой научно-технической конференции. Москва, 2003, 26-30 мая, с. 137-144.). В данном инжекторе, позволяющем инжектировать для ускорения ионы, отобранные из плазмы с большой площадью поверхности эмиссии, установлены обечайки сферической формы, в которых выполнены соосные апертуры одинакового диаметра, сходящиеся к трубкам дрейфа ускоряющих каналов ВЧ системы ускорителя. Между обечайками создана разность электрических потенциалов.
Недостатки ближайшего аналога состоят в слабой фокусировке ионных пучков в пространстве между обечайками и в том, что площадь апертур согласующих каналов в области отбора ионов из плазмы не превышает площадь апертур ускоряющих каналов ВЧ системы ускорителя, что уменьшает величину ускоренного в нем тока ионных пучков.
Техническая проблема состоит в необходимости увеличения тока ионных пучков.
Технической задачей предложенной полезной модели является создание многоапертурного согласующего канала с увеличенным током ионных пучков.
При решении технической задачи было обеспечено достижение не только увеличения тока ионных пучков, но также, возможности фокусировки и радиальной компрессии ионов внутри каждого отдельного канала аксиально-симметричным электрическим полем в зазорах между смежными трубками дрейфа с изменяющейся площадью апертур и изменения в пространстве направления движения ионного пучка по траектории каждого отдельного канала этим же электрическим полем, что составляет технический результат предложенной полезной модели.
Достижение технического результата обеспечивается созданием многоапертурного согласующего канала, позволяющего увеличивать ток ионов, ускоренных в ускорителе путем расширения общей площади отбора ионов из плазмы, за счет увеличения площади отбора ионов по каждому отдельному каналу, с возможностью согласования положения в пространстве и поперечных размеров ионных пучков на выходе этих каналов с размерами и положением соответствующих апертур трубок дрейфа ускоряющей ВЧ системы.
Предложен многоапертурный согласующий канал с радиальной компрессией пучков ионов, состоящий из корпуса, обечаек с соосно расположенными апертурами, сходящимися к его центральной продольной оси, причем диаметр этих апертур уменьшается по мере их схождения и в апертуры установлены конусного вида полые трубки дрейфа, выполненные таким образом, чтобы входной диаметр каждой трубки дрейфа был больше ее выходного диаметра, который в свою очередь равен входному диаметру каждой последующей трубки дрейфа, а корпус и обечайки электрически изолированы друг от друга и электрически соединены с отдельными источниками электропитания.
Отличительным физическим свойством предлагаемой полезной модели от ближайшего аналога, появившимся в результате предложенной конструкции обечаек с трубками дрейфа в апертурах, и обеспечивающим достижение заявленного технического результата, является возможность фокусировки и радиальной компрессии ионов внутри каждого отдельного канала аксиально-симметричным электрическим полем в зазорах между смежными трубками дрейфа с изменяющейся площадью апертур и изменения в пространстве направления движения ионного пучка по траектории каждого отдельного канала этим же электрическим полем.
Заявленный технический результат в многоапертурном согласующем канале с радиальной компрессией пучков ионов, состоящим из обечаек с соосными апертурами, сходящимися к его центральной продольной оси, достигается предложенной их оригинальной конструкцией. А именно, диаметр апертур в обечайках уменьшается по мере их схождения к выходу данного устройства, и, в эти апертуры установлены конусного вида полые трубки дрейфа, выполненные таким образом, чтобы входной диаметр каждой трубки дрейфа был больше ее выходного диаметра, который, в свою очередь, равен входному диаметру каждой последующей трубки дрейфа. Все обечайки электрически изолированы от корпуса и друг от друга и соединены с отдельными источниками электропитания.
В отличие от известных аналогов, в предлагаемой полезной модели возникают новые свойства, обусловленные предложенными оригинальными техническими решениями. А, именно, появляется сила электростатической фокусировки ионного пучка в каждом канале «провисающими» к его центральной продольной оси силовыми линиями электрического поля, позволяющая фокусировать и сжимать ионный пучок по мере его движения от входа до его выхода из канала. Это способствует увеличению плотности ионов пучка, инжектируемого в соответствующий канал ускоряющей ВЧ системы каждым отдельным каналом многоапертурного согласующего канала с радиальной компрессией пучков ионов. Общая траектория направления в пространстве силовых линий электрического поля в каждом отдельном канале данной полезной модели позволяет сводить экстрагированные из плазмы ионные пучки от периферии к центральной продольной оси многоапертурного согласующего канала с радиальной компрессией пучков ионов. Перечисленные выше факторы обеспечивают возможность согласования по размерам и по положению в пространстве параметров ионных пучков с апертурами трубок дрейфа ускоряющей ВЧ системы.
Анализ отличительных существенных признаков и свойств, появившихся в результате предложенных технических решений, а именно, возможность отбора ионов в пучок с большой площади плазменной поверхности по каждому отдельному каналу, пространственное согласование траекторий и геометрических размеров пучков в этих каналах с соответствующими параметрами апертур трубок дрейфа ускоряющей ВЧ системы, показал, что появившиеся новые свойства способствуют увеличению тока ионного пучка на выходе ускорителя и достижению поставленного технического результата и позволяют считать заявленное техническое решение соответствующим критерию полезной модели.
Многоапертурный согласующий канал с радиальной компрессией пучков ионов эффективен для применения в многоканальных ускорителях ионов, инжекция заряженных частиц в которые производится из плазмы с низкой плотностью ионной компоненты и большой площадью поверхности эмиссии ионов. Оригинальность предложенного технического решения в том, что размеры входных апертур трубок дрейфа отдельных каналов полезной модели превосходят геометрические размеры апертур на ее выходе, что позволяет обеспечивать отбор ионов для ускорения по каждому отдельному каналу многоканальной ускоряющей ВЧ системы от плазменной поверхности, площадь которой превосходит соответствующий размер канала ускоряющей ВЧ системы. Наличие в данном инжекторе нескольких таких каналов способствует увеличению общей площади поверхности экстракции ионов из плазмы в режим ускорения. Примененный способ электростатической фокусировки ионов электрическим полем в ускоряющих зазорах между смежными трубками дрейфа, имеющими в данных зазорах одинаковые размеры апертур, которые синхронно уменьшаются к выходу полезной модели, обеспечивает эффективную радиальную компрессию ионного пучка. Радиальная компрессия, в совокупности с общей направленностью электрического поля в отдельных каналах, позволяют экстрагировать ионы с большой площади плазменной поверхности и обеспечивают уменьшение потерь заряженных частиц в процессе их транспортировки, и при вводе в каналы ускоряющей ВЧ системы. Перечисленные выше факторы способствуют увеличению тока ионных пучков, ускоренных в многоканальном ускорителе.
Краткое описание чертежей.
На рис. 1 показан чертеж схемы, поясняющей устройство многоапертурного согласующего канала с радиальной компрессией пучков ионов и его работу, где:
1 - корпус,
2 - обечайки,
3 - трубки дрейфа,
4 - силовые линии электрического поля в зазорах между трубками дрейфа,
5 - конечные апертуры трубок дрейфа на выходе согласующего канала с радиальной компрессией пучков ионов,
6 - входные апертуры трубок дрейфа ускоряющей ВЧ системы,
БП - блок электропитания.
На рис. 2 показан общий вид многоапертурного согласующего канала с радиальной компрессией пучков ионов, где:
2 - обечайки (аналогично рис. 1),
3 - трубки дрейфа (аналогично рис. 1),
7 - стойки,
8 - фланцы.
На рис. 3 показан вид со стороны ускоряющей ВЧ системы многоапертурного согласующего канала с радиальной компрессией пучков ионов, где:
5 - конечные апертуры трубок дрейфа на выходе согласующего канала с радиальной компрессией пучков ионов (аналогично рис. 1),
7 - стойки (аналогично рис. 2).
На рис. 4 показан вид со стороны источника ионов многоапертурного согласующего канала с радиальной компрессией пучков ионов, где:
3 - трубки дрейфа (аналогично рис. 1),
7 - стойки (аналогично рис. 2).
Пример реализации.
На рис. 1 показана в схематичном виде конструкция, поясняющая процесс согласования апертур в данной полезной модели с входными апертурами трубок дрейфа 6 ускоряющей ВЧ системы многоапертурного ускорителя ионов и ее работу.
Согласно рис. 1, отдельные каналы в данной полезной модели имеют общую в пространстве угловую направленность, сходящуюся к центральной продольной оси всего устройства, от ИИ к трубкам дрейфа ускоряющей ВЧ системы. Такая их траектория и предложенная конструкция данных каналов, позволяют согласовать выходные апертуры 5 конечных трубок дрейфа 3 по размерам и пространственному положению с апертурами 6 трубок дрейфа, установленных на входе ускоряющей ВЧ системы. Размеры апертур трубок дрейфа 3 отдельных каналов на входе многоапертурного согласующего канала с радиальной компрессией пучков ионов превосходят размеры апертур трубок дрейфа 3 этих же отдельных каналов, установленных на выходе данной полезной модели, что позволяет эффективно использовать большую часть плазменной поверхности ИИ, для экстракции и ускорения ионов в ускорителе, вне зависимости от размеров этой поверхности.
Как показано на рис. 1, многоапертурный согласующий канал с радиальной компрессией пучков ионов состоит, из корпуса 1, выполненного в виде двух торцевых фланцев с апертурами для отдельных каналов и разделенных в пространстве 6-ю стойками, электрически изолированными от этих фланцев. Эти фланцы 8 и стойки 7 показаны на рис. 2, рис. 3, рис. 4. К этим стойкам, через электрические изоляторы крепятся обечайки 2, с апертурами отдельных ускоряющих каналов, рис. 1. Причем, диаметры апертур уменьшаются в сторону выходного фланца корпуса 1 таким образом, чтобы обеспечить согласование с размерами апертур 6 трубок дрейфа, установленных на входе ускоряющей ВЧ системы. Обечайки 2, электрически соединены с блоками электропитания (БП) таким образом, чтобы между ними возникала разность электрических потенциалов, величина которой обеспечивает электростатическую фокусировку пучка ионов, достаточную для его прохождения через трубки дрейфа 3 на длине тракта всего отдельного канала, рис. 1. В апертуры обечаек 2 установлены конусного вида трубки дрейфа 3 такой конструкции, при которой размеры входного и выходного отверстий каждой трубки дрейфа 3 совпадают с размером выходного отверстия предыдущей трубки дрейфа и размером входного отверстия последующей трубки дрейфа, соответственно, рис. 1. Это обеспечивает фокусировку и симметричное по радиусу обжатие ионного пучка «провисающим» фокусирующим электрическим полем 4, при ускорении пучка в зазоре между трубками дрейфа 3.
Многоапертурный согласующий канал с радиальной компрессией пучков ионов работает следующим образом. Ионы, экстрагированные из плазмы ИИ в трубку дрейфа 3 отдельного канала электрическим полем первой обечайки 2 и ускоренные этим полем, пройдя через первую по ходу пучка трубку дрейфа 3, попадают в зазор между выходом этой трубки дрейфа и входом трубки дрейфа 3, установленной в апертуре следующей обечайки 2, рис. 1. Электрическое поле 4 в этом зазоре действует на ионный пучок аналогично иммерсионной электростатической линзе (принцип которой изложен в работе С.И. Молоковский, А.Д. Сушков. Интенсивные электронные и ионные пучки. М. ЭнергоАтомиздат 1991. С. 89-99), фокусируя ионы к центральной продольной оси канала «провисающими» к ней силовыми линиями электрического поля 4, рис. 1. Электростатическая фокусировка ионного пучка статическим электрическим полем (принцип которой изложен в работе С.И. Молоковский, А.Д. Сушков. Интенсивные электронные и ионные пучки. М. ЭнергоАтомиздат 1991. С. 26-31) возникает в результате особой конфигурации, а именно, симметричного провисания к центральной оси зазора, силовых линий электрического поля 4 в области между трубками дрейфа 3, рис. 1. Суть эффекта данной фокусировки состоит в том, что на ионы, вышедшие из первой трубки дрейфа, электрическое поле действует с силой F, различной направленности в первой и во второй половинах этого зазора, рис. 1. Горизонтальная составляющая этой силы ускоряет ионы на всем протяжении зазора. Вертикальная составляющая силы F, на первой половине зазора смещает ионы в сторону его центральной оси, рис. 1, вызывая эффект фокусировки. На второй половине данного зазора, вертикальная составляющая силы F отклоняет ионы в противоположную сторону, рис. 1, дефокусируя ионный пучок, так как ионы в первой половине зазора обладают меньшей скоростью, чем во второй, и затрачивают на ее прохождение большее время, чем время прохождения второй половины зазора, которую они проходят с большей скоростью, так как постоянно испытывают ускорение на всем промежутке между трубками дрейфа от действия горизонтальной составляющей силы F, рис. 1. В результате суммарного действия перечисленных выше факторов в зазоре между смежными трубками дрейфа возникает эффект фокусировки ионного пучка. Разность электрических потенциалов в зазорах между трубками дрейфа 3 установлена такой величины, чтобы ионный пучок, проходя через соответствующую трубку дрейфа, без потерь попадал в следующий зазор. Такой алгоритм движения ионов повторяется во всех зазорах на протяжении отдельного канала и действует во всех отдельных каналах данной полезной модели. Общая направленность электрических полей в зазорах между трубками дрейфа 3 отдельных каналов, рис. 1, позволяет отклонять ионные пучки от периферии, сводя их к центральной продольной оси многоапертурного согласующего канала с радиальной компрессией пучков ионов. Конфигурация силовых линий электрического поля в зазорах между трубками дрейфа 3, рис. 1, создавая эффект фокусировки, способствует радиальной компрессии (обжатию) ионного пучка в этих промежутках в процессе пролета ионов через канал.
Примененное техническое решение, с одинаковыми по размерам и уменьшающимися по величине от входа многоапертурного согласующего канала с радиальной компрессией пучков ионов к его выходу, выходные и соответствующие им входные апертуры смежных трубок дрейфа 3 в совокупности с изменяющейся по величине разностью электрических потенциалов на обечайках 2, в апертуры которых установлены эти трубки дрейфа 3, рис. 1, создает факторы, позволяющие увеличивать жесткость фокусировки ионов в зазорах между трубками дрейфа по мере прохождения пучка по отдельному каналу, усиливая возможность его обжатия. Это способствует росту плотности ионов в пучке и увеличению тока в канале. Размеры выходных апертур 5 в трубках дрейфа 3 отдельных каналов, установленных на выходе многоапертурного согласующего канала с радиальной компрессией пучков ионов, согласованы по величине и положению в пространстве с соответствующими каналами 6 трубок дрейфа ускоряющей ВЧ системы ускорителя, рис. 1.
Реализованная в предложенной заявке возможность разнесения в пространстве областей экстракции ионов из плазмы с одновременной радиальной компрессией ионных пучков в отдельных каналах, позволяет в многолучевых ускорителях ионов, при малой плотности ионной компоненты в плазме, увеличивать суммарный ток ускоренного ускорителем ионного пучка.
Многоапертурный согласующий канал с радиальной компрессией пучков ионов отличается простотой конструкции, надежностью работы и дешевизной изготовления.