СПОСОБ УПРАВЛЯЕМОГО КОЛЛЕКТИВНОГО УСКОРЕНИЯ ЭЛЕКТРОН - ИОННЫХ СГУСТКОВ
METHOD FOR CONTROLLED COLLECTIVE ACCELERATION OF ELECTRON-ION BUNCHES

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к ускорительной технике.
Уровень техники
Наиболее близким к заявленному изобретению является аналог /1/, в котором в магнитном поле типа "касп" формируется плотное кольцо электронов, вращающихся с релятивистскими скоростями. Поступательная скорость электронного кольца вдоль его оси после "каспа" - нерелятивистская, что позволяет захватить его в стационарную магнитную ловушку с помощью тормозящего резистивного экрана. Во втором близком аналоге /2/ кольцо формируется в магнитной ловушке и сжимается в нарастающем во времени магнитном поле. Остановившееся кольцо заполняется ионами, с использованием ионизации атомов остаточного газа в камере ускорителя или специальной газовой струи /2/. Вывод электрон-ионного кольца из ловушки осуществляется путем снятия одного из барьеров магнитной ловушки, которое сопровождается уменьшением глубины эффективной потенциальной ямы до нуля. Затем кольцо попадает в область спадающего вдоль оси движения магнитного поля и ускоряется. Если электроны и ионы движутся с одной скоростью в продольном направлении, то получается выигрыш коллективного ускорения ионов по сравнению с прямым их ускорением во внешнем электромагнитном поле.
Недостатком захвата сильноточного электронного пучка в стационарную магнитную ловушку в аналоге /1/ являются большие потери пучка, обусловленные большим ускорением электронов собственным зарядом пучка на фронтах импульса тока. Вторым недостатком является использование в работах /1, 2/, а также в других аналогичных работах (например, в /3/), ускорения электрон-ионного кольца в спадающем магнитном поле без внешней фокусировки электронов в направлении движения кольца. Как показали эксперименты в /2, 3/, компактность кольца нарушается на небольшой длине ускорения, электроны убегают вперед от ионов, и ионы не приобретают значительной энергии.
Разрыв электронной и ионной компонент характерен также для коллективного метода ускорения ионов в прямолинейных сильноточных электронных пучках при формировании виртуального катода. Поэтому для прямолинейных сильноточных пучков появились предложения и успешные эксперименты по лазерному управлению движением фронта электронного пучка в коллективном ускорителе /3-5/, а также предложение управляемого ступенчатого коллективного ускорителя с использованием отдельных источников сильноточных пучков на каждой ступени /6/.
Недостатком способов управляемого коллективного ускорения /3-6/ является необходимость использования мощных релятивистских электронных пучков (с токами в несколько десятков кА), большие потери электронов при ускорении ионов и небольшая частота повторений циклов ускорения.
Сущность изобретения
Основа предлагаемого решения проблемы управляемого коллективного ускорения ионов состоит в том, что набор энергии ионов осуществляется за счет большого собственного электрического поля электронного сгустка, а фокусировка электронного сгустка в направлении ускорения осуществляется за счет управляемого движения магнитной потенциальной ямы.
-4
-1
Известные способы коллективного ускорения ионов основаны на использовании кольцевых или прямолинейных сильноточных электронных пучков /2-3/. Основные трудности коллективного ускорения ионов электронными кольцами связаны с требованиями устойчивости колец при их формировании и сохранением целостности электрон-ионного кольца при ускорении. Например, эксперименты в Гархинге (Германия) показали, что совместное движение электронных и ионных колец срывается на длине в несколько сантиметров. Электроны вырываются вперед и не ускоряют ионы. Протоны приобретают энергию около 200 кэВ /3/. Технические трудности обеспечения совместного ускорения электронов и ионов обусловлены необходимостью выдерживать труднореализуемый относительный градиент ведущего магнитного поля на уровне 10 см.
В предлагаемом подходе решение проблемы целостности электрон-ионного сгустка состоит в том, что движение электронного сгустка управляется системой витков с программируемыми импульсными токами таким образом, чтобы обеспечить в среднем синхронное продвижение сгустков вдоль системы витков с набором энергии ионов на каждом дискретном шаге по виткам.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.
Возможность осуществления предлагаемого способа управляемого коллективного ускорения ионов электронными сгустками с использованием пикосекундных релятивистских электронных пучков /7/ показана в численном эксперименте на основе программного комплекса КАРАТ /8/. Принципиальная схема установки для управляемого ускорения ионов показана на Рис.1. На рисунке указаны тонкостенный трубчатый катод с радиусом 30 мм и два встречно включенных соленоида, радиус соленоидов - 50 мм. Катод расположен в области однородного продольного магнитного поля с индукцией 2 кГс. В промежутке между соленоидами создается магнитное поле с преимущественно радиальными силовыми линиями магнитного поля - область "каспа". Распределение аксиальной компоненты магнитного поля вблизи оси показано на Рис.2.
12
В численном эксперименте электроны инжектировались с кромки катода толщиной 100 мкм на радиусе 3 см в аксиальном направлении с энергией ускоренных электронов - 2.1 МэВ. Длительность токового импульса 0.8 нс, ток - 1 кА, что соответствует 5·10 частицам в электронном сгустке. В области за "каспом" продольная скорость электронов существенно уменьшается и формируется сгусток электронов, вращающихся с релятивистскими скоростями. Релятивистское вращение сгустка ослабляет эффект ускорения головной части сгустка, связанный с его большим пространственным зарядом /7/.
9
-3
При включении токового витка, расположенного на расстоянии ~ 18 см от центра "каспа", образуется магнитная ловушка, в которую захватывается электронный сгусток. Предварительно, перед инжекцией электронов в области, где формируется захваченный электронный сгусток, создается сгусток разреженной водородной плазмы, представленный при моделировании в плоскости R-Z в виде прямоугольника 1×15 см и среднем радиусе - 2.5 см. Плотность плазмы - 1.8·10 см, что соответствует числу ионов ~10% от числа инжектированных с катода электронов. При захвате кольца в магнитную ловушку электроны плазмы покидают плазменный сгусток под действием собственного поля инжектированных с катода электронов. Таким образом, в магнитной ловушке остается захваченный сгусток вращающихся релятивистских электронов и ионная компонента плазмы, которая захватывается собственным электрическим полем пространственного заряда электронов. Для увеличения плотности электронного сгустка с целью повышения ускоряющих ионы полей проводилось продольное его сжатие путем включения соседних к барьерным витков.
Захваченный таким образом электронный сгусток можно перемещать вдоль оси симметрии системы, двигая в пространстве магнитную яму, в которой он находится. Такое движение магнитной ямы обеспечивается путем последовательной запитки витков, образующих магнитную ловушку. При моделировании витки радиусом 4,75 см были расставлены вдоль оси ускорения через 3 см друг от друга. Для перемещения сгустка электронов на один виток снимается ток в переднем по направлению движения сгустка витке и запитывается следующий после него виток. При этом ток в заднем витке временно удваивается для придания дополнительного импульса электронному сгустку. Характерное время запитки витков ~ 5 нс. Электронное кольцо перемещается вслед за ямой и останавливается в ней на некоторое время для ускорения ионов. Затем описанный процесс повторяется. Длительность каждого такого цикла постепенно уменьшается от ~ 8 нс в начале ускорения до ~1 нс через 40 нс после начала ускорения. Ионы плазмы при этом тянутся за электронным сгустком, постепенно ускоряясь с темпом набора средней энергии ~ 3 МэВ/м.
z
φ
Основные результаты численного эксперимента иллюстрируются рисунками 3, 4. На Рис.3 показаны по строке зависимости от продольной координаты радиусов случайной выборки частиц R, энергии Е, продольной β и азимутальной β скоростей частиц (в единицах скорости света). На рисунке ионам соответствует красный цвет, электронам - синий. Три строки соответствуют трем характерным моментам времени - началу, средине и концу процесса ускорения.
Главный вывод, который можно сделать из анализа динамики частиц по первой колонке: в численном эксперименте реализуется коллективное ускорение ионов на большой длине ускорения при удержании электронов в движущейся эффективной внешней потенциальной яме. Потери ионов при ускорении незначительные. Электрон-ионный сгусток геометрически представляет собой полый цилиндр длиной около 10 см и внутренним и внешним радиусами соответственно 2-3 см.
Поскольку ускоренное движение внешней потенциальной ямы синхронизовано с движением ионов, то ионы приобретают энергию с большим темпом ускорения - вторая колонка Рис.3. Третья колонка демонстрирует синхронное в среднем движение ионов и электронов. Результаты четвертой колонки показывают релятивистское вращение электронного сгустка, благодаря которому ослабляется расталкивание электронов в продольном направлении.
Рис.4 дает возможность оценить темп набора энергии и энергетический разброс коллективно ускоренных ионов.
11
Таким образом, численный эксперимент показал работоспособность рассматриваемого управляемого коллективного метода ускорения ионов электронными сгустками с использованием пикосекундных релятивистских электронных пучков. В отличие от известных коллективных методов ускорения предлагаемый метод позволяет избежать разрыва электронной и ионной компонент сгустков и срыва ускорения ионов, а также развития многочисленных неустойчивостей, т.к. длительность цикла ускорения находится в наносекундном диапазоне. Использование пикосекундных сильноточных электронных пучков дает возможность получить большую цикличность работы и компактность ускорителя. Достоинства нового метода связаны с возможностью ускорения большого количества ионов в цикле (~5·10) при короткой длительности импульса и возможностью ускорения ионов на большой длине. Такой ускоритель должен представлять интерес для различных приложений.
Рис.1. Принципиальная схема установки для управляемого коллективного ускорения ионов: 1 - катод, 2 - фольга, 3 - система витков с импульсной запиткой, 4 - источник питания диода, 5 - система задержек для последовательной запитки витков, 6 - источники питания витков, 7 - электронно-ионный сгусток, 8 - система соленоидов.
На рисунке указаны тонкостенный трубчатый катод с радиусом 30 мм и 2 встречно включенных соленоида, радиус соленоидов - 50 мм. Катод расположен в области однородного продольного магнитного поля с индукцией ≈2 кГс. В промежутке между соленоидами создается магнитное поле с преимущественно радиальными силовыми линиями магнитного поля - область "каспа". На рисунке также показаны управляемые токовые витки с элементами системы питания и управления.
Библиографические данные
1. С.D.Striffler, R.A.Meger, J.Grossmann, E.Pappas, M.Reiser, M.J.Rhee, T.F.Wang, Electron Ring Accelerator Research at the University Of Maryland, IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol. NS-26, No. 3, June 1979.
2. В.П.Саранцев, Э.А.Перельштейн, Коллективное ускорение ионов электронными кольцами, Атомиздат, М., 1979.
3. G.L.Olson, U Schumacher, Collective Ion Acceleration, Berlin -Heidelberg - New York, Springer - Verlag, 1979.
4. C.L.Olson, C.A.Front, E.L.Patterson, J.P.Anthes and J.W.Poukey, Experimental Demonstration of Controlled Collective Ion Acceleration with the lonization-Front Accelerator, Phys. Rev. Lett. 56, 2260 (1986).
5. R.L.Yao, W.W.Destler, C.D.Striffler, J.Rodgers, Z.Segalov, Measurements and Simulation of Controlled Beam Front Motion in the Laser Controlled Collective Accelerator, РАС 1989, pp.624-626.
6. J.L.Adamski, Multy - Stage Collective Field Charged Particle Accelerator, US Patent 4,296, 327, Oct. 20, 1981, Field of Search 250/423.
7. Г.А.Месяц, М.И.Яландин, Пикосекундная электроника больших мощностей, УФЫ, 175, N 3, 2005, с.225-246.
8. V.P.Tarakanov, User's Manual for Code "KARAT", (ver. 7.09, April, 1999).