СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПУЧКА ИОНОВ ВЫСОКОЙ ЗАРЯДНОСТИ
METHOD TO PRODUCE HIGH-CHARGE ION BEAM

Изобретение относится к созданию пучков ионов, предназначенных для дальнейшего использования в ускорителях заряженных частиц.
Область техники
Задача создания пучков высокозарядных ионов тяжелых элементов является одной из актуальных в настоящее время. Данные пучки ионов находят широкое применение как в науке, так и в технике. Дело в том, что энергия ускоряемых ионов зависит от заряда иона и растет пропорционально заряду в линейных ускорителях и пропорционально квадрату заряда в циклотронах. Таким образом, использование высокозарядных ионов позволяет при тех же ускоряющих напряжениях получать существенно большие энергии ускоренных ионов или, соответственно, снижать ускоряющие напряжения при сохранении энергии частиц. Кроме того, например, от величины заряда иона зависит эффективность его торможения в веществе, что может быть важно для ряда приложений, в частности в онкологии.
Особенно интересны такие пучки высокозарядных ионов тяжелых элементов для экспериментов по генерации экстремального состояния вещества и для исследований по управляемому термоядерному синтезу.
Известен [1], А.В.Сидоров. Формирование интенсивного пучка многозарядных ионов из плотной плазмы, создаваемой мощным миллиметровым излучением, Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. Нижний Новгород, 2008, ЭЦР источник высокозарядных ионов.
Важнейшим параметром такого способа получения пучка высокозарядных ионов являются ток ионного пучка и средний заряд ионов. Источник на основе разряда низкого давления, поддерживаемого в открытой магнитной ловушке электромагнитным излучением в условиях электронного циклотронного резонанса (ЭЦР), за последнее время имеет неплохое сочетания важнейших параметров, а именно достаточно высоких величин интенсивности пучка при сравнительно высоких кратностях заряда. В первую очередь, столь существенный прогресс связан с непрерывным повышением частоты и мощности СВЧ-нагрева.
11
12
-3
В последние годы высокочастотное излучение современных гиротронов успешно используется в экспериментах с классическими ЭЦР источниками ионов. Для удержания плазмы в таких источниках используются открытые магнитные ловушки с конфигурацией магнитного поля «минимум В», которая формируется комбинацией поля простого пробкотрона и поля многополюсной магнитной системы (обычно шестиполюсной), являющейся аналогом «палок Иоффе». Данная конфигурация магнитного поля обеспечивает эффективную стабилизацию МГД-возмущений плазмы в ловушке. Такие системы позволяют создавать плазму с концентрацией электронов от 1·10 до 5·10 см при их температуре до нескольких кэВ. Основным преимуществом описываемых источников является большое время жизни плазмы в магнитной ловушке, за счет которого обеспечивается глубокая обдирка ионов.
Максимальная частота СВЧ накачки, используемая в классических ЭЦР источниках МЗИ, в настоящее время составляет 28 ГГц. Однако дальнейшее повышение частоты греющего излучения в таких системах оказывается ограничено рядом проблем. Строительство ловушек с конфигурацией магнитного поля «минимум В», рассчитанных на частоты накачки свыше 30 ГГц, на современном этапе представляется весьма затруднительным из-за необходимости создания очень сильных полей при сложной их структуре, необходимой для борьбы с МГД неустойчивостями. Поэтому актуальными являются исследования возможности создания ЭЦР источников высокозарядных ионов с магнитными ловушками осесимметричной конфигурации.
Эксперименты, проведенные в ИПФ РАН с использованием мощного СВЧ излучения гиротрона на частоте 37.5 ГГц, подтвердили перспективность повышения частоты греющего излучения. В ходе этих исследований экспериментально наблюдался принципиально другой характер удержания плазмы в ловушке, отличный от используемого в классических современных ЭЦР источниках. При достаточно высокой плотности плазмы может реализоваться так называемый квазигазодинамический режим удержания, время жизни плазмы в котором мало и не зависит от ее концентрации.
Однако в силу малости энергии резонансных электронов, ЭЦР источник ионов не позволяет получать сверхбольшие зарядности. Дело в том, что зависимость сечения ионизации зависит от энергии электронов пороговым образом, она описывается формулой Бете [2], Н.A.Bethe, Ann. Phys., v.5, p.325, 1930,
U+90
e
e
e
e
e
где I=32 кэВ - потенциал ионизации L оболочки урана, W - энергия электронов. Проанализировав формулу (1), можно видеть, что оптимальная энергия электронов W, необходимая для ионизации L оболочки урана, лежит в диапазоне 2-3 потенциалов ионизации. В нашем случае эта энергия составляет W=60-100 кэВ. При уменьшении энергии сечение ионизации быстро падает, для энергии электронов, большей 3-х потенциалов ионизации, сечение падает как σ~1/W. Для энергии, меньшей потенциала ионизации, сечение, а вместе с ним и вероятность ионизации равны нулю. Поскольку энергия электронов в ЭЦР источнике W=5 кэВ, он не годится для получения ионов сверхвысокой зарядности.
Источник высокозарядных ионов типа ЭЦР - это сложный, дорогой прибор, который плохо сопрягается с наиболее подходящими для решения ряда задач синхротронами, работающими в импульсном режиме.
Известен способ получения ионов в лазерном источнике ионов высокой зарядности [3], А.Н.Балабаев и др. Описание изобретения к патенту: RU 2377687 С1, опубликовано 27.12.2009, бюл. №36, где для увеличения длительности удержания высокоэнергичных электронов в нем также используется мультипольное магнитное поле.
e
+90
Однако, поскольку энергия электронов в лазерном источнике ионов высокой зарядности также составляет величину порядка W=5 кэВ, он также не годится для получения ионов сверхвысокой зарядности, например ионов урана U.
e
Известен способ получения высокозарядных ионов с помощью электронно-лучевого источника [4], В.Г.Абдульманов и др. Электронно-оптическая система источника многозарядных ионов MIS-1. Прикладная физика, 2000, №2, с.138-143. Для ионизации атомов тяжелых элементов в нем используется пучок электронов с большой энергией W=50 кэВ и в нем есть возможность получения сверхвысокозарядных ионов.
Электронно-оптическая система (ЭОС) такого источника состоит из трех основных участков. Первый участок включает в себя электронную пушку и область ввода электронного пучка в фокусирующее поле соленоида. Вторым участком ЭОС является область дрейфа электронного пучка в фокусирующем поле соленоида, где в стационарном магнитном поле создается рабочая область ионного источника - ионная ловушка. Третий участок - это вывод электронного пучка на коллектор с максимально возможной рекуперацией в целях снижения рассеиваемой на нем мощности и максимального снижения расходуемой на функционирование ЭОС энергии.
12
3
2
В электронно-лучевом ионном источнике (EBIS) емкость ионной ловушки равна числу электронов ионизирующего электронного пучка в ее объеме. Время достижения необходимого распределения зарядности ионов прямо пропорционально плотности электронного пучка. В случае использования EBIS в современных ускорительных комплексах тяжелых ионов необходимо обеспечить емкость ионной ловушки не менее 10 при плотности электронного пучка в ней >10 А/см.
Наиболее эффективно эта задача решается при использовании ЭОС с двойной компрессией электронного пучка. В электронной пушке осуществляется электростатическая компрессия электронного пучка, на втором этапе компрессия обеспечивается нарастающим фокусирующим магнитным полем. Для этого создается такое распределение магнитного поля в области от катода до кроссовера, при котором силовые линии магнитного поля совпадают с траекториями электронов. За кроссовером магнитное поле нарастает и обеспечивает дополнительную плавную компрессию электронного пучка при условии сохранения его ламинарности.
3/2
Результаты расчета электронной пушки с первеансом 1,45 мкА/В и с компрессией электронного пучка 190 показывают, что при диаметре катода 34 мм радиус кривизны составляет 21,5 мм, радиус пучка в кроссовере будет равен 1,5 мм (ток электронного пучка 19 А при энергии пучка 56 кВ).
Для получения необходимой величины фокусирующего магнитного поля ~3 Тл используется криогенный сверхпроводящий соленоид с замкнутым наружным магнитопроводом. Магнитная фокусирующая система включает в себя также две электромагнитные линзы, расположенные снаружи полюсов соленоида, одна - в области электронной пушки, другая - в области электронного коллектора.
В ряде работ было обеспечено стационарное фокусирующее магнитное поле и максимальная плотность электронного пучка на длине 1 м.
Проведенное численное моделирование магнитной системы и ЭОС позволило сократить длину участков нарастания магнитного поля с 400 до 200 мм при условии сохранения ламинарности электронного пучка и получить его максимальную плотность на длине 1,5 м. Это позволило отказаться от секционирования области соленоида, что повышает технологичность его изготовления.
3
2
12
Распределение магнитного поля на оси соленоида практически линейно, результаты расчета траекторий электронов непосредственно за кроссовером электронного пучка показывают, что в электронно-лучевом источнике происходит сжатие электронного пучка нарастающим фокусирующим магнитным полем при сохранении его ламинарности. Траектории электронов являются приосевыми на всей длине фокусирующей системы. Энергия электронного пучка составляет 56 кВ, ток пучка 19,2 А, т.е. мощность в пучке ~1 МВт. Протяженность участка электронного пучка с максимальной плотностью >2·10 А/см, на котором его радиус равен 0,5 мм, составляет 1,5 м. Длина ионной ловушки, соответственно, увеличивается до 1,5 м, а ее емкость составит 2·10. Таким образом, поскольку энергия электронов в данном источнике превышает потенциал ионизации L оболочки урана, получение высокозарядных ионов в нем возможно.
Недостатком способа генерации высокозарядных ионов с помощью электронно-лучевого источника является малая емкость электростатической ловушки для ионов. Пучок электронов, ионизирующих ионы, в таких источниках имеет форму струны, электронного луча необыкновенно малого диаметра, общий ионный заряд не может превосходить электронный и, таким образом, число электронов и ионов, получаемых за один импульс, мало. Потребляют такие источники очень большую мощность, (вплоть до 1 МВт), что связано с однократным использованием электронов. Положение с энергопотреблением усугубляется тем, что энергию надо передавать на высоковольтную платформу, электрически изолированную от «земли». Это необходимо для того, чтобы предварительно ускорить высокозарядные ионы до начальной скорости, соответствующей скорости инжекции в линейный или циклический ускоритель.
Наиболее близким аналогом, который может быть выбран за прототип, является способ получения высокозарядных ионов в электронном кольце, формируемом при инжекции электронного пучка в магнитную ловушку [5], В.П.Саранцев, Э.А.Перельштейн. Коллективное ускорение ионов электронными кольцами. М.: Атомиздат, 1969. Пучок захватывался в ловушку, заполнялся ионизируемым веществом и удерживался в ловушке совместно с образующимися ионами в течение длительного времени.
Способ вывода ионов из ловушки в прототипе осуществляется, как и во всех способах ускорения ионов электронными кольцами, совместно с электронной компонентой и именно за счет действия электронов на ионы.
Недостатки прототипа
Недостатком прототипа является короткое неуправляемое время вывода ионов, которое определяется совместным выводом ионов и электронов.
Техническая задача, которую решает предлагаемый способ, состоит в формировании ионного пучка требуемой временной длительности.
z
i
z
z
эл.ст
φ
φ
в
в
15
8
Технический результат достигается тем, что электронный пучок инжектируют в вакуумную камеру, находящуюся внутри магнитной ловушки, захватывают его в магнитную ловушку подачей импульсного электрического поля E с длительностью импульса, меньшей половины периода продольных колебаний электронов в ловушке, заполняют через натекатель ионизируемым веществом, удерживают электронное кольцо совместно с образующимися ионами в течение определенного времени, после удержания электронного кольца в течение требуемого времени, например Т=10 с, ионы выводят из электронного кольца в область ускоряющего электрического поля путем изменения распределения потенциала вдоль секционированной керамической вакуумной камеры за время, совпадающее с длительностью одного оборота в циклическом ускорителе, τ≈1 мкс, что соответствует интенсивности пучка I=2*10 ионов в секунду, затем ионы разгоняют до скорости β=0.01, что соответствует скорости ионов V=3*10 см/сек, продольным электрическим полем, образуемым за счет разности потенциалов U=130 кВ, преобразуют ускоренные ионы в пучок, параллельный оси z, парой магнитных линз, имеющих Н поле: Н≈800 Гс, и разделяют пучок ионов по зарядам магнитным полем поворотного магнита, имеющим вертикальную компоненту Н, равную Н=4 кГс.
e
Вероятность образования высокозарядных ионов в электронных кольцах достаточно высока. Дело в том, что высокозарядные ионы образуются из атомов тяжелых элементов при последовательной ионизации электронным ударом. Вероятность ионизации р пропорциональна сечению ионизации σ, скорости электронов V, плотности электронного потока n и времени удержания электронов в ловушке τ,
Таким образом, чтобы получить из атомов тяжелых элементов высокозарядные ионы, надо, прежде всего, иметь достаточно большие времена удержания электронов в ловушке.
При высокой плотности электронов и большой длительности удержания электронов в кольце каждый электрон «используется» сотни миллионов раз, что резко повышает эффективность источника, снижая его энергопотребление.
e
e
φ
10
3
10
Теперь можно найти плотность электронов n во вращающемся слое, такую чтобы за время τ=10 сек вероятность ионизации атома урана была равна 10%. Положим равным р=0.1 в формуле (2) и найдем требуемую плотность электронов в слое, она должна быть равна n=2*10 электронов/см, для V=0.55 с - азимутальная скорость электронов в слое, с=3*10 см/с - скорость света в вакууме.
a
z
a
Чтобы электроны с такой энергией вращались на радиусе r=2 см требуется аксиальное магнитное поле H=560 Гс. Сама частота обращения в аксиальном магнитном поле может быть найдена по формуле, где r=2 см.
что говорит о том, что можно удержать таким полем такую электронную плотность.
вн
нар
секц
Собственно электронный слой должен находиться внутри секционированной керамической трубки, внутренний радиус трубки r=3 см, наружный r=3.5 см, трубка в z направлении должна быть разбита на секции с длиной l=20 мм, секции отделены друг от друга металлическими кольцами с большим диаметром, равным диаметру керамической трубки, и малым диаметром d=5 мм. Каждое кольцо через коммутатор должно быть подключено к своему источнику питания, так чтобы была возможность создавать с помощью переключений электрическое поле, направленное вдоль оси z.
z
Примем напряженность электрического поля E равной
z
з
10
10
-19
-9
E=1.25 кВ/см, тогда разность потенциалов между соседними кольцами будет равна ΔU=2.5 кВ. Создать такую разность потенциалов между кольцами можно, например, поместив на соседнее кольцо заряд, равный ΔQ=2*10 электронов. При этом для захвата электронов в ловушку соседние кольца надо отключать за время Δτ=1 нс, так что коммутатор должен «держать» разность потенциалов ΔU=2.5 кВ и переключать заряд со скоростью ΔQ/Δτ=3*10*1.6*10/10=3 А.
в
Для вывода ионов из ловушки надо подключать секции, начиная от области вывода последовательно, через время Δτ=50 нс, так чтобы длительность импульса выведенных ионов была равна 50 нс * 20=1 мкс, длительности инжекции пучка ионов в синхротрон или линейный ускоритель.
Таким образом, манипулируя распределением потенциала вдоль керамической трубки можно создавать импульсное электрическое продольное поле различной длительности и, возможно, напряженности, что позволит как захватывать электроны в ловушку, так и выводить из нее высокозарядные тяжелые ионы.
z
a
e
e
+90-+82
3
3
13
10
Найдем число образовавшихся в слое ионов. Радиус вращения электронного слоя в аксиальном магнитном поле H равен: r=2 см. Примем следующими «размеры» захваченного электронного слоя: толщина слоя Δ=1 см, протяженность слоя от одной пробки в магнитном поле до другой 2l=50 см. Тогда его объем будет примерно равен V=10 см и он будет содержать N=n*V=2*10 электронов, примерно на 2 порядка будет меньше ионизированных ионов урана, средняя интенсивность ионов с ионизированной L-оболочкой, учитывая 10% вероятность ионизации, будет: U=2*10 ионов.
+90
U+90
i
9
15
Так как на L-оболочке находится 8 электронов, то ионов с заданной зарядностью U будет еще на порядок меньше: N=2*10 ионов. Если длительность вывода ионов принять равной τ=1 мкс, то получится импульсная интенсивность ионного пучка, равная I=2*10 ионов в секунду, при этом длительность импульса пучка ионов совпадает с длительностью одного оборота в циклическом ускорителе.
e
инж
e
инж
13
Захватывать N=10 электронов в слой надо за время, меньшее полупериода аксиальных бетатронных колебаний τ<5 нс, так что инжектируемый ток должен быть порядка N/τ=300 А, что технически достижимо для современной импульсной техники.
Способ может быть реализован с помощью устройства
На Фиг.1 представлена схема устройства. Устройство содержит:
инфлектор 1, пару магнитных катушек 2, создающих однородное продольное магнитное поле, пару магнитных катушек 3, создающих магнитные пробки по концам области однородного магнитного поля, блок постоянных магнитов 4, создающих мультипольное магнитное поле, секционированную вакуумную камеру 5, захваченное в ловушку и длительное время вращающееся в ней электронное кольцо 6, натекатель 7, через который ионизируемое вещество напускают в газообразной форме в область электронного слоя.
На Фиг.2. представлена схема формирования ионного пучка, на которой:
8 - секционированная ускоряющая трубка с напряжением U=130 кВ,
φ
φ
9 - первая линза типа «апельсин» с H полем, 10 - вторая линза типа «апельсин» с H полем и с меньшим фокусным расстоянием,
11 - поворотный магнит, содержащий вертикальную компоненту магнитного поля, разделяющий предварительно ускоренные ионы по зарядам,
12 - траектории ионов.
Осуществление изобретения. Работа устройства
Устройство работает следующим образом. Как показано на Фиг.1, через инфлектор 1 электронный пучок с током I=300 А и длительностью τ=10 нс направляют в область однородного магнитного поля, которое создают парой катушек 2. По краям области однородного поля катушками 3 создают радиальное магнитное поле, удерживающее электроны в продольном направлении. Блоком постоянных магнитов 4 создают мультипольное магнитное поле, способствующее удержанию электронов в радиальном направлении. Градиент продольного электрического поля с различной напряженностью поля и длительностью импульса создают с помощью внешнего переключения разности потенциалов на секционированной вакуумной камере 5, под действием которой электронное кольцо 6 захватывают в ловушку. Через натекатель 7 в область электронного слоя напускают струю ионизируемого вещества.
a
a
Обычно во всех ионных источниках извлечение ионов осуществляется через узкое сопло, расположенное на оси системы. Таким образом, ионный пучок сразу располагается на продольной оси системы. В данном способе формирования пучка многозарядных ионов ионы образуются на некотором радиусе r=2 см внутри электронного кольца и удерживаются на этом радиусе электрическим полем кольца. Извлеченный из источника пучок имеет трубчатую форму с таким радиусом r.
b
Эффективный фазовый объем, занимаемый ионами после форинжектора, очень большой и имеет крайне неудачную форму - ионы располагаются на радиусе r=20 мм от оси в тонком кольцевом слое там, где они рождались и удерживались.
Приведем последовательность операций, необходимую для формирования ионного пучка нитевидной формы. Выведенный из источника пучок ионов предварительно разгоняют в ускорительной трубке 8, затем их переводят на ось, осуществив два поворота на один и тот же угол. Сначала линзой 9 с азимутальным магнитным полем по направлению к оси, а когда они подходят к оси, траекторию ионов поворачивают линзой 10 на точно такой же угол, но в противоположном направлении. Поворотным магнитом 11 разделяют ионный пучок по зарядам и выделяют требуемую зарядность. Цифрой 12 на Фиг.2 обозначена траектория ионов.
Проведем расчеты траектории ионного пучка.
-2
φ
2
i
Пусть ионы соберутся на ось через 1 м после прохождения рамок. Это значит, радиальный угол, который они приобретут при прохождении области между рамками, равен 2 см/100 см = 2*10. Пусть H поле в рамках равно 800 Гс, длина дорожки (вдоль оси z) равна l=2 см, тогда для ионов урана с зарядом Z=+90 и энергией W=1 ГэВ угол поворота будет равен:
b
как раз требуемому углу. На расстоянии 10 см от точки, где ионы будут пересекать ось, поставим второй точно такой же «апельсин» и дадим угол в другую сторону. После этого пучок будет двигаться параллельно оси z, но на радиусе в отношении 100/10=10 раз меньшем, то есть радиус пучка ионов будет равен r=2 мм. Точно такой же принцип сжатия широких пучков используется в оптике, где это делается с помощью двух линз с различными фокусными расстояниями.
вертик
поперечн
Из источника одновременно выталкиваются ионы урана всех зарядностей. Для того чтобы разделить их перед линейным ускорителем, можно использовать поворотный магнит с поперечным магнитным полем. Возьмем магнитное поле с напряженностью Н=4 кГс, с длиной дорожки l=20 см и найдем угол поворота для ионов с отношением заряда к массе Z/A≈½ по формуле:
что позволит разделить ионы по зарядам и выделить требуемую зарядность пучка.
Таким образом, этим магнитом можно направлять в линейный ускоритель ионы урана с требуемой зарядностью. Пучок после «апельсинов» имеет форму, близкую к нитевидной.
Техническое применение пучков многозарядных ионов тяжелых элементов - эксперименты по генерации экстремального состояния вещества и использование в исследованиях по термоядерному синтезу.