МНОГОАПЕРТУРНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ КЛАСТЕРНЫХ ИОНОВ

Полезная модель относится к ускорителям ионов и может быть использована для ускорения кластерных ионов в ядерной энергетике, при решении проблем управляемого термоядерного синтеза и в технологиях ионной имплантации.
Предложенное решение относится к многоапертурному ускорителю кластерных ионов, позволяющему ускорять сложные атомно-ионные образования, имеющие малое отношение заряда к массе с использованием электрического поля, в том числе, и низкочастотного диапазона ВЧ электромагнитных волн. Увеличение интенсивности заряженных частиц в ускоренном пучке данного ускорителя связано с возможностью одновременной экстракции кластерных ионов из плазмы нескольких ионных источников.
Известны различные типы ускорителей для ускорения тяжелых ионов с большим атомным номером. В большинстве таких ускорителей используются ускоряющие высокочастотные (ВЧ) системы с электромагнитными волнами стоячего типа, образующимися в высокочастотных (ВЧ) резонаторах (И.М. Капчинский. Теория линейных резонансных ускорителей. Москва, Энергоиздат 1982, с. 28-144).
Актуальной проблемой является создание ускорителей для ускорения сверхтяжелых ионов с большим содержанием атомов в ансамбле - кластерных ионов. Кластерный ион или кластер представляет собой ансамбль частиц, состоящий из атомов вещества и содержащий от десятков до многих тысяч атомов, и, как правило, одного или нескольких ионов этого вещества.
3
Известно, что при ускорении в одноапертурных ускорителях кластерных ионов с концентрацией атомов более 10 частиц в кластере, происходит их разрушение, вызванное взаимными столкновениями в ускоряющем канале (А.С. Кингсепп, В.В. Окороков, И.В. Чувило. О возможности кластерного УТС. ЖТФ, 1990, Том 2. в. 10, С. 60-63).
Для уменьшения разрушения кластерных ионов из-за взаимных столкновениях в ускоряющем канале, перспективным является их одновременное ускорение в нескольких каналах (Аверьянов Г.П., Дмитриева В.В., Плотников С.В., Турчин В.И. Высокочастотные ускоряющие системы для кластерных ионов изотопов водорода НИЯУ МИФИ. 2я международная конференция. «Плазменные, лазерные исследования и технологии» 25-27 января 2016, Сборник научных трудов, 2016, Москва, стр. 154).
Известны проблемы, ограничивающие применение ускорителей такого типа при ускорении кластерный ионов, а именно, ряд физических эффектов, ограничивающих диаметр апертуры в ускоряющих ВЧ системах, использующих ВЧ волны стоячего типа (И.М. Капчинский. Динамика частиц в линейных резонансных ускорителях. Москва, Атомиздат. 1966, 310 с.). Другая проблема в источниках кластерных ионов (ИИ), затрудняющая их использование в ускорительных технологиях, состоит в генерации плазмы с малым содержанием кластерных ионов (Б.М. Смирнов, "Процессы в кластерной плазме и кластерных пучках", Письма в ЖЭТФ, 1998, 68, 741-746).
Наличие подобных ограничений является препятствием для увеличения тока ускоренного пучка в многоканальных ускорителях кластерных ионов. Кроме того, создание ускорителей кластерных ионов затруднено рядом технологических сложностей. Так, одной из них является возбуждение колебаний электромагнитных волн стоячего типа с большой длиной волны в резонансных ВЧ ускоряющих системах. Применение ВЧ электромагнитных волн стоячего типа с большой длиной волны приводит к чрезмерному увеличению габаритов ВЧ резонаторов в таких ускоряющих системах (Кушин. В.В., Громов Е.В., Плотников С.В. Ускоряющая структура. А.С. №856370. 14.04.1981).
Перечисленные выше причины затрудняют создание ускорителей для ускорения кластерных ионов.
Известен многоапертурный ускоритель ионов в ВЧ резонаторе ускоряющей системы которого используются электромагнитные волны стоячего типа (Б.К. Кондратьев, А.В. Турчин, В.И. Турчин, Модернизация инжектора многолучевого ускорителя протонов. ПТЭ, 2009, №4, с. 29-41). Многоапертурный согласующий канал данного ускорителя содержит несколько обечаек, в которых выполнены соосно расположенные апертуры одинакового диаметра и на обечайки подается электрическое напряжение с различной величиной электрических потенциалов. Недостаток данного устройства состоит в слабой фокусировке ионов в зазорах между обечайками, а также в том, что поперечные размеры апертур его согласующего канала не Превышают диаметры апертур в трубках дрейфа ускоряющей ВЧ системы, что уменьшает площадь отбора ионов из плазмы в режим ускорения и величину тока в ускоренном пучке ионов.
th
2
Известен ускоритель кластерных ионов изотопов водорода с одноапертурной (одноканальной) ускоряющей ВЧ системой типа RFQ, в ВЧ резонаторе которой используются электромагнитные волны стоячего типа (M.J. Caillard, A. Schempp, Н.О. Moser et. al., First high-energy hydrogen cluster beams. 6International Symposium on Small Particles and Inorganic Cluster ISSPC 6, Chicago, September 15-22, 1992). Его недостатки состоят в малом токе пучка кластерных ионов на выходе ускорителя и малой длине волны ВЧ ускоряющего электромагнитного поля, не позволяющей ускорять кластерные ионы с содержанием более 10 атомов в кластере.
Известна ускоряющая ВЧ система для ускорителей кластерных ионов (C.V. Plotnikov, V.I. Turchin. Features of acceleration and focusing of cluster ion beam in resonant linac structures, Proceedings of RuP AC, 2018, Protvino, Russia. WEPSB11, ISBN 978-3-95450-197-7, P. 304-307). Недостатком является малый ток ускоренного пучка кластерных ионов, из-за разрушения кластеров при взаимных столкновениях в ускоряющем канале, слабая фокусировка пучка и высокая частота ускоряющего электромагнитного поля волн стоячего типа в ВЧ резонаторе, не позволяющая ускорять кластеры с большой массой.
В большинстве случаев конструкция ускорителей ионов включает в себя такие элементы как: ускоряющая ВЧ система, источник ионов и инжектор, обеспечивающий согласованный режим работы источника ионов с ускоряющей ВЧ системой.
Наиболее близким по техническому решению аналогом данной полезной модели, принятым за прототип, является многоапертурный инжектор ускорителя ионов с поперечным сведением пучков, который может быть использован в составе стандартной конструкции ускорителей ионов (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 2003 г., с. 137-144). В данной конструкции, позволяющей инжектировать для ускорения ионы, отобранные из плазмы по нескольким каналам, позволяющим увеличить общую площадь 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, а также 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 и препятствует ускорению тяжелых малозарядных ионов.
Техническая проблема состоит в необходимости увеличения тока ионных пучков для эффективного ускорения тяжелых малозарядных ионов.
Технической задачей предложенной полезной модели является создание многоапертурного ускорителя кластерных ионов с увеличенным током ионных пучков.
При решении технической задачи было обеспечено достижение не только увеличения тока пучка кластерных ионов на выходе ускорителя, но также уменьшение потерь кластеров при их переходе в каналы ускоряющей ВЧ системы и расширение спектра масс ускоряемых в ускорителе кластерных ионов, что в совокупности составляет технический результат предложенной полезной модели.
Достижение технического результата обеспечивается созданием многоапертурного ускорителя кластерных ионов с ВЧ электромагнитными волнами бегущего типа, состоящего из многоапертурного инжектора с обечайками, каждая из которых содержит несколько отверстий, соосных соответствующим отверстиям в соседних обечайках и сходящихся к центральной продольной оси многоапертурного инжектора, корпус которого и все его обечайки электрически изолированы друг от друга, при этом обечайки электрически соединены с отдельными источниками электропитания, причем диаметр отверстий в обечайках уменьшается по мере их приближения к выходу многоапертурного инжектора, и в эти отверстия установлены конусного вида полые металлические трубки дрейфа с металлическими сетками во входных апертурах, где диаметр каждой входной апертуры такой трубки дрейфа больше ее выходного диаметра в каждой обечайке, который, в свою очередь, равен входному диаметру трубки дрейфа в последующей обечайке, причем входные апертуры трубок дрейфа установленных на входе многоапертурного инжектора соединены, каждая - с соответствующим независимым источником кластерных ионов, а выходные апертуры трубок дрейфа установленных на выходе многоапертурного инжектора, по размерам и положению согласованы с соответствующими апертурами трубок дрейфа на входе многоканальной ускоряющей высокочастотной (ВЧ) системы, внутри которой соосно расположены параллельно ее продольной оси несколько потенциальных электродов с установленными в них многоапертурными трубками дрейфа, объединенными в единую конструкцию и соединенными тремя параллельными волноводами, выполненными в виде спирали из полого металлического профиля, внутренняя полость которого заполнена диэлектриком, с другими многоапертурными трубками дрейфа, установленными на продольной оси между потенциальными электродами на этих волноводах, один конец каждого из которых соединен с генератором ВЧ колебаний электромагнитных волн бегущего типа, а другой, с соответствующей согласующей нагрузкой, соединенной с корпусом, причем соседние потенциальные электроды смещены относительно друг друга вокруг продольной оси ускоряющей ВЧ системы на 120 градусов, а их волноводы смещены относительно волноводов соседних потенциальных электродов на 60 градусов.
Отличительные особенности многоапертурного ускорителя кластерных ионов от существующих многоканальных ускорителей ионов состоят в сочетании в его конструкции новых и известных технических решений, обладающих полезными свойствами, необходимыми для достижения заявленного технического результата, а именно:
в использовании для одновременного ускорения в ВЧ ускоряющей системе нескольких пучков кластерных ионов электрического поля, создаваемого ВЧ электромагнитными волнами бегущего типа, характеризующихся возможностью их генерации в широком частотным диапазоне ВЧ колебаний, что обеспечивает возможность ускорения кластерных ионов с большим различием собственных масс;
в уникальной конструкции инжектора кластерных ионов, согласованной по соответствующим параметрам инжекции кластерных ионов, экстрагированных из плазмы, с развитой поверхностью экстракции от нескольких ИИ, в соответствующие ускоряющие каналы многоканальной ВЧ системы, не имеющей ВЧ резонатора.
Необходимая динамика движения ионов в предложенном ускорителе достигается отказом от применения в нем ВЧ ускоряющей системы с ВЧ резонатором электромагнитных волн стоячего типа, затрудняющим (в силу своих массогабаритов) использование низкочастотного диапазона таких ВЧ волн, необходимого для ускорения кластеров с большой массой. Ускоряющие ВЧ системы с электромагнитными волнами бегущего типа не требуют применения ВЧ резонаторов и особенности распространения таких волн в среде позволяют регулировать в широком диапазоне скорость их движения по волноводам между трубками дрейфа, способствуя расширению возможности эффективного ускорения кластеров с разной величиной массы.
Увеличение тока ионов в пучке на выходе ускорителя согласно предлагаемой полезной модели обеспечивается наличием многоканального (многоапертурного) инжектора разработанной конструкции, которая позволяет:
1) производить одновременный отбор кластерных ионов в режим ускорения с большой площади плазменной поверхности из плазмы нескольких источников кластерных ионов, с последующей эффективной радиальной фокусировкой их ионных пучков в каждом канале, а также
2) влиять на траектории движения и диаметры пучков кластерных ионов, для их согласованного ввода из каналов данного инжектора в соответствующие каналы ускоряющей ВЧ системы.
Для применения в предложенной конструкции ускорителя с целью обеспечения режима конечного ускорения кластеров до большой энергии выбрана многоканальная ускоряющая ВЧ система с синфазными электромагнитными волнами бегущего типа (см., например, Турчин. В.И. Плотников С.В., Многоапертурная ВЧ система для ускорения кластерных ионов, ПАТЕНТ РФ №192845, от 03.10.2019), позволяющая ускорять кластерные ионы, как с относительно малой (порядка 101-103 а.е.м. (а.е.м. - атомная единица массы)), так и с большой (более 104 а.е.м.) собственной массой.
Используемая в конструкции предложенной полезной модели многоканальная ускоряющая ВЧ система состоит: из корпуса, внутри которого соосно расположены, параллельно его продольной оси, несколько потенциальных электродов с установленными в них многоапертурными трубками дрейфа, объединенные в единую конструкцию и соединенные тремя параллельными волноводами из полого металлического профиля с другими многоапертурными трубками дрейфа, установленными на продольной оси между потенциальными электродами на этих волноводах, один конец каждого из которых подсоединен к генератору высокочастотных колебаний, а другой, к соответствующей согласующей нагрузке, соединенной с корпусом, причем, соседние потенциальные электроды смещены относительно друг друга вокруг продольной оси данной системы на 120 градусов, а их волноводы смещены относительно волноводов соседних потенциальных электродов на 60 градусов отличающийся тем, что все волноводы выполнены в виде спирали, а их внутренние полости заполнены диэлектриком.
Разработанный для этой ускоряющей ВЧ системы многоапертурный инжектор, характеризуется эффективной электростатической фокусировкой, усиленной примененной конфигурацией сходящихся к центральной оси ускоряющего зазора силовых линий электрического поля. В отличие от прототипа, наличие такой поперечной фокусировки пучков кластерных ионов позволяет изменять, в зависимости от направления каналов инжектора, траектории движения в них пучков заряженных частиц, обладающих различными массами.
Предложенный для использования в конструкции заявляемой полезной модели многоапертурный инжектор состоит из корпуса, металлических обечаек с соосно расположенными апертурами, сходящимися к его центральной продольной оси. Диаметр апертур в обечайках уменьшается по мере их схождения и в апертуры установлены конусного вида полые трубки дрейфа с металлическими сетками на входной апертуре каждой трубки дрейфа. Трубки дрейфа выполнены таким образом, чтобы входной диаметр каждой из них был больше ее выходного диаметра, который, в свою очередь, равен входному диаметру каждой последующей трубки дрейфа. Корпус и обечайки электрически изолированы друг от друга и обечайки электрически соединены с отдельными источниками электропитания.
В отличие от известной конструкции ускорителя кластерных ионов согласно ближайшему аналогу, в предложенной полезной модели возникают новые физические и полезные свойства, обусловленные применением оригинальных для существующих ускорителей такого типа технических решений, а именно:
1) в многоапертурном инжекторе, в отличие от аналога, возникает новый физический эффект, усиленная поперечная фокусировка пучков кластерных ионов, появившаяся в результате предложенной установки металлических сеток в апертуры на входах трубок дрейфа;
2) наличие металлических сеток на входе каждой последующей трубки дрейфа, в отличие от выходной апертуры предыдущей трубки дрейфа, где таких сеток нет, формирует электрическое поле в зазоре между смежными трубками дрейфа, направление силовых линий которого сходится от торцов предыдущей трубки дрейфа к центральной оси зазора на входе каждой последующей трубки дрейфа. Такая конфигурация сходящихся силовых линий электрического поля в зазоре между трубками дрейфа усиливает фокусировку и радиальную компрессию пучка кластеров; ускоряемого в зазорах между трубками дрейфа;
3) наличие эффективной фокусировки и радиального обжатия пучка, позволяют производить одновременный отбор ионов в режим ускорения из плазмы с увеличенной областью экстракции, одновременно из нескольких источников ионов и удерживать их от радиального разлета на заданной траектории движения. Возможность изменять поперечные размеры пучка, за счет его компрессии, обеспечивает выполнение условий согласования параметров пучков кластеров из различных каналов инжектора с характеристиками соответствующих каналов ускоряющей ВЧ системы.
Указанные факторы способствует увеличению тока кластерных ионов, инжектируемых в ВЧ систему данного ускорителя, а также расширению спектра масс ускоряемых в ускорителе кластерных ионов.
Применение нерезонансной многоапертурной ВЧ структуры с электромагнитными волнами бегущего типа, позволяющей согласовать динамику движения ускоряемых заряженных частиц в широком диапазоне различий отношений заряда к массе со скоростью изменения электрических потенциалов на соответствующих трубках дрейфа, способствует расширению границ, для эффективного ускорения кластерных ионов с различной массой. Многоапертурность примененной ВЧ системы способствует уменьшению плотности частиц в ускоряемом канале и вероятности их разрушения при взаимных столкновениях, позволяя увеличить ток кластеров в пучке на выходе ускорителя.
Перечисленные выше факторы расширяют границы спектра масс кластеров, для возможности их эффективного ускорения и способствуют увеличению тока пучка на выходе многоапертурного ускорителя кластерных ионов, обеспечивая достижение заявленного технического результата.
Анализ отличительных существенных признаков предложенной полезной модели, и проявленных благодаря им полезных свойств, связанных с решением поставленной технической задачи, а именно, возникновение новых физических особенностей и полезных свойств, не существовавших в действующих ускорителях кластерных ионов, выразившихся в применении в предлагаемом ускорителе многоапертурного инжектора оригинальной конструкции, в которой реализованы возможности поперечной фокусировки с компрессией пучков кластерных ионов и коррекцией траектории их движения, позволяющих производить одновременный отбор ионов для ускорения из плазмы нескольких источников ионов и вводить их в соответствующие каналы ускоряющей ВЧ системы, и, использования для ускорения заряженных частиц электромагнитных волн бегущего типа, позволяющих ускорять в ВЧ системе кластерные ионы с широким диапазоном масс, являются факторами, которые отсутствуют в известной конструкции ускорителя кластерных ионов согласно ближайшему аналогу и обеспечивают достижения заявленного технического результата в предложенном ускорителе; позволяет считать, что предложенный многоапертурный ускоритель кластерных ионов соответствует критерию полезная модель.
Оригинальность предложенного технического решения в том, что площади входных апертур трубок дрейфа отдельных каналов, многоканального инжектора, через которые осуществляется экстракция кластерных ионов из соответствующих генераторов плазмы, превосходят площади апертур на их выходах. Это позволяет обеспечивать отбор заряженных частиц для ускорения по каждому отдельному каналу в многоканальной ускоряющей ВЧ системе от плазменной поверхности, площадь которой превосходит соответствующий размер канала в самой ускоряющей ВЧ системе. Примененный в многоапертурном инжекторе способ электростатической фокусировки с помощью электростатических сеток в ускоряющих зазорах между смежными трубками дрейфа, площадь апертур которых синхронно уменьшается к выходу данного инжектора, обеспечивает усиленную наличием сетки фокусировку и радиальную компрессию пучка. Радиальная компрессия, в совокупности с общей направленностью электрического поля в отдельных каналах, позволяет одновременно экстрагировать кластерные ионы из плазмы нескольких источников и уменьшает их потери при транспортировке и при вводе в каналы ускоряющей ВЧ системы.
Для ускорения заряженных частиц в использованной многоканальной высокочастотной системе ускорителя применяются электромагнитные волны бегущего типа, которые распространяются между соответствующими трубками дрейфа по пустотелым волноводам, выполненным в виде спиралей с полостью, заполненной диэлектриком. Примененное техническое решение, позволяющее регулировать скорость перемещения разности электрических потенциалов между трубками дрейфа в широких пределах, обеспечивает согласование параметров ускоряющего электрического поля в зазорах между трубками дрейфа с динамикой движения кластерных ионов, расширяя диапазон масс кластеров, для их ускорения.
Реализованная в конструкции многоапертурного ускорителя кластерных ионов возможность одновременного отбора заряженных частиц из плазмы нескольких источников кластерных ионов и последующего их распределением между апертурами в трубках дрейфа, для одновременного ускорения по нескольким каналам в одной ускоряющей ВЧ системе, позволяет уменьшать плотность ускоряемых частиц в отдельном ускоряющем канале, для уменьшения вероятности их взаимных столкновений в процессе ускорения.
Перечисленные выше факторы способствуют повышению интенсивности потока ускоренных кластерных ионов в ускорителе и расширяют возможности ускорения для кластерных ионов с различными значениями атомной массы.
Краткое описание чертежей
На рис. 1 показан многоапертурный ускоритель кластерных ионов и его составляющие:
1. Многоапертурный инжектор.
2. Обечайки.
3. Источники электропитания (ИП).
4. Трубки дрейфа.
5. Источники кластерных ионов.
6. Металлические сетки.
7. Силовые линии электрического поля между трубками дрейфа.
8. Многоапертурная ускоряющая высокочастотная (ВЧ) система.
На рис. 2 показана многоапертурная ускоряющая высокочастотная (ВЧ) система 8, входящая в конструкцию многоапертурного ускорителя кластерных ионов, приведенную на рис. 1, и ее составляющие:
9. Потенциальные электроды.
10. Многоапертурные трубки дрейфа.
11. Волноводы.
12. Нагрузки (R)
13. Генератор высокочастотных (ВЧ) колебаний (Г).
Пример реализации
В многоапертурном ускорителе кластерных ионов заряженные частицы, экстрагированные из плазмы нескольких ИИ, проходят через соответствующие апертуры отдельных каналов многоапертурного инжектора, формируются в ионные пучки, которые ускоряются в зазорах между трубками дрейфа этих каналов. Далее, пучки ионов инжектируются в соответствующие каналы многоканальной ускоряющей ВЧ системы, где ускоряются до требуемой энергии. На рис. 1 показан общий вид многоапертурного ускорителя кластерных ионов, состоящего из многоапертурного инжектора 1, с установленными на нем независимыми источниками кластерных ионов 5, кластеры экстрагируются из плазмы этих источников и формируются в пучки в апертурах трубок дрейфа 4, имеющих площадь на входе данного инжектора большую, чем на его выходе. Такая разница площадей в апертурах трубок дрейфа различных обечаек стала возможной в результате того, что при пролете кластеров через каналы многоапертурного инжектора, пучки в каждом из каналов подвергаются радиальной фокусировке оптикой с сетками. Оптическая система такого типа способствует уменьшению диаметра пучков кластеров в результате радиальной компрессии и корректировке траектории движения этих пучков таким образом, чтобы она совпадала с направлением данного канала и обеспечивала их ввод в соответствующие каналы ускоряющей ВЧ системы.
Примененная в многоапертурном ускорителе кластерных ионов конструкция многоапертурного инжектора 1, показана на рис. 1. Его корпус, на входе и выходе снабжен торцевыми фланцами с апертурами для отдельных каналов, к которым крепятся, на входе источники кластерных ионов, на выходе - ускоряющая ВЧ система. Внутри корпуса, технологически, между собой эти фланцы разделены в пространстве стойками, к которым, через электрические изоляторы крепятся обечайки 2, с апертурами, для отдельных ускоряющих каналов. Причем диаметры апертур уменьшаются в сторону выходного фланца на корпусе таким образом, чтобы обеспечить согласование с размерами апертур входных каналов многоканальной ускоряющей ВЧ системы 8. Каждая из обечаек 2, электрически соединена с отдельным источником электропитания 3 (ИП) таким образом, чтобы между обечайками возникала разность электрических потенциалов, величина которой обеспечивает электростатическую фокусировку пучка заряженных частиц, достаточную для его прохождения через трубки дрейфа 4 по всему тракту каждого отдельного канала. В апертурах обечаек 2 установлены конусного вида металлические трубки дрейфа 4 с конфигурацией, при которой размеры входного и выходного отверстий каждой трубки дрейфа 4 совпадают с размером выходного отверстия предыдущей трубки дрейфа 4 и размером входного отверстия последующей трубки дрейфа 4, соответственно. Для усиления эффекта фокусировки и радиальной компрессии пучка в зазоре между данными трубками дрейфа, на входе каждой трубки дрейфа 4 установлена металлическая сетка 6. Наличие такой сетки на входной апертуре каждой последующей трубки дрейфа позволяет формировать в зазоре между предыдущей и последующей трубками дрейфа электрическое поле 7, силовые линии которого сходятся к центральной продольной оси данного зазора. На рис. 1 показана конфигурация силовых линий только для одного, центрального канала. Во всех других зазорах она будет аналогичной. Электрическое поле, сходящееся к центральной продольной оси зазора промежутка между трубками дрейфа, усиливает эффект радиальной фокусировки пучка кластеров к данной оси, что способствует более интенсивному радиальному обжатию (компрессии) пучка, по сравнению с широко известной иммерсионной фокусировкой, при которой пучок в первой половине ускоряющего зазора испытывает фокусировку и дефокусируется во второй его половине (Б.Н. Яблоков. Ускорители. Гос. Атом. Издат. 1962, Москва. С. 534-537).
Кластерные ионы, экстрагируются из плазмы соответствующих источников ионов 5 в трубки дрейфа 4, первой от ИИ обечайки 2, электрическим полем 7 и, в дальнейшем, ускоряются этим полем. Пройдя через первую по ходу пучка трубку дрейфа 4, попадают в зазор между свободным от металлической сетки выходом этой трубки дрейфа и закрытым сеткой входом аналогичной трубки дрейфа 4, установленной в апертуре следующей по ходу пучка обечайке 2. Электрическое поле 7 в этом зазоре действует на кластерные ионы пучка как фокусирующая линза с непрерывным эффектом фокусировки. Обжимая его по радиусу к центральной продольной оси канала «сходящимися» к ней силовыми линиями данного поля, рис. 1. В результате непрерывного воздействия на пучок в зазоре между смежными трубками дрейфа фокусирующих сил, возникает усиленный эффект фокусировки пучка в зазоре. Разность электрических потенциалов в зазорах между трубками дрейфа 4 и длина этих трубок дрейфа выбрана такими, чтобы пучок ускоряемых кластеров проходил через соответствующую трубку дрейфа и без потерь попадал в следующий зазор. Такой алгоритм движения повторяется во всех зазорах на протяжении отдельного канала и действует во всех отдельных каналах данного многоапертурного инжектора. Общая направленность силовых линий электрических полей 7 в зазорах между трубками дрейфа 4 во всех отдельных каналах, наряду с сильной фокусировкой, позволяют отклонять пучки кластеров от периферии, сводя их к его центральной продольной оси, коррелированной с осью соответствующего канала в многоапертурной ускоряющей ВЧ системе 8. Конфигурация силовых линий электрического поля в зазорах между трубками дрейфа 4, за счет эффекта фокусировки, способствует радиальной компрессии пучка на протяжении каждого отдельного канала. Примененное техническое решение, с уменьшающимися по величине, от входа данного согласующего канала к его выходу, выходные и соответствующие им входные апертуры смежных трубок дрейфа 4 предложенной конструкции, в совокупности с изменяющейся по величине разностью электрических потенциалов на обечайках 2, в которых установлены эти трубки дрейфа, рис. 1, позволяет увеличивать жесткость фокусировки кластерных ионов в зазорах между трубками дрейфа по мере прохождения ионного пучка по отдельному каналу, способствуя этим усилению его компрессии и росту плотности заряженных частиц в этом пучке.
Размеры выходных апертур трубок дрейфа 4, установленных на выходе данного многоапертурного инжектора, согласованы по величине и положению в пространстве с соответствующими каналами многоапертурной ускоряющей ВЧ системы 8, способствуя уменьшению потерь заряженных частиц при прохождении пучков из каналов данного инжектора во входные апертуры трубок дрейфа ускоряющей ВЧ системы 8, рис. 1.
В примененной многоапертурной ускоряющей высокочастотной системе, установлены параллельно ее продольной оси несколько потенциальных электродов 9 с многоапертурными трубками дрейфа 10, предназначенные для ускорения заряженных частиц, рис. 2. Эти трубки дрейфа и соответствующие им потенциальные электроды, соединены с размещенными на продольной оси данной ускоряющей ВЧ системы, аналогичными трубками дрейфа при помощи группы из трех волноводов 11, на которых эти трубки дрейфа и потенциальные электроды держатся. На рис. 2 показаны два из трех действующих волноводов, соединенных с соответствующими трубками дрейфа, что позволяет с большей наглядностью пояснять их конструкцию и принципы работы данной ускоряющей ВЧ системы. Противоположные концы волноводов соединены, одним концом с корпусом ускоряющей ВЧ системы, через согласующие нагрузки 12, на рис. 2 обозначенные буквой «R». Другим концом, через соответствующие фидеры, обеспечивающие требуемый сдвиг волновых фаз электромагнитных ВЧ колебаний в соответствующих им волноводах, с генератором высокочастотных колебаний 13, обозначенных «Г». Волноводы 11 выполнены в виде спирали с шагом S и диаметром спирали 2а, величину которых можно изменять, из полого металлического профиля круглого сечения, полости которого заполнены диэлектриком. Структура электропитания трубок дрейфа в ускоряющей ВЧ системе выполнена по схеме трехпроводной линии. Волноводы 11, соединяющие соответствующие многоапертурные трубки дрейфа 10 в потенциальных электродах 9, смещены в радиальной плоскости данной ускоряющей ВЧ системы, относительно друг друга вокруг ее продольной оси на угол равный 120° и смещены относительно аналогичных волноводов другого потенциального электрода на угол равный 60°. Апертуры в многоапертурных трубках дрейфа 10, рис. 2, расположены соосно продольной оси ускорителя и соосно друг другу.
В предлагаемой полезной модели многоапертурного ускорителя кластерных ионов, применены технические решения, обеспечивающие достижения заявленного технического результата.
Так оригинальная конструкция многоапертурного инжектора с трубками дрейфа предложенного вида позволяет создавать поперечную компрессию ионного пучка за счет усиленной сетками, установленными на входе трубок дрейфа, фокусировки пучка и корректировать его положение в пространстве, что обеспечивает возможность одновременной экстракции ионов из плазмы нескольких ИИ с большой площади плазменной поверхности через входные апертуры каждого канала. Уменьшение площади этих апертур к выходу каждого канала для согласования их величины и пространственного положения с соответствующими каналами ускоряющей ВЧ системы, позволяет уменьшить потери кластеров при их переходе в каналы ускоряющей ВЧ системы.
В конструкции ускорителя согласно предложенной полезной модели предлагается использовать многоапертурную ускоряющую ВЧ систему, обладающую рядом полезных технических свойств, для ускорения, именно, кластерных ионов, которая обеспечивает возможность использования широкого частотного диапазона ВЧ электромагнитных волн бегущего типа, с нижней границей частоты, вплоть до радиочастотного диапазона, в зависимости от ее технического исполнения. Такой широкий диапазон частот позволяет ей ускорять как тяжелые ионы различных веществ, так и сложные атомно-молекулярные образования, имеющие большую массу и малый заряд. Оригинальность технических решений, реализующих эти возможности, достигается тем, что в примененной ускоряющей ВЧ системе отсутствует ВЧ резонатор с волнами стоячего типа. В ней все волноводы, с распространяющейся в них ВЧ электромагнитной волной бегущего типа, расположены между трубками дрейфа параллельно продольной оси ускорителя, что позволяет уменьшить диаметр ускоряющей системы, по сравнению с размерами ускоряющих систем, использующих стоячие волны. Все волноводы выполнены в виде спиралей. Такая конструкция позволяет регулировать их длину без существенного увеличения линейной протяженности самой ВЧ системы. Все волноводы могут заполняться диэлектриком различного типа, что позволяет регулировать изменение скорости движения по ним электромагнитной волны в широком диапазоне. Такие особенности технического решения, обеспечивают возможность регулирования в широких пределах скорости распространения ВЧ электромагнитной волны по волноводу и, как следствие, скорости смещения разности электрических потенциалов между трубками дрейфа таким образом, чтобы эта разность электрических потенциалов была согласована с динамикой движения ускоряемых заряженных частиц. Перечисленные выше особенности использованной ускоряющей ВЧ системы расширяют ее возможности для ускорения кластерных ионов с различной величиной массы в предлагаемом ускорителе.
При ускорении кластерных ионов, их пространственное распределение между трубками дрейфа, с одновременным ускорением по нескольким каналам в одной ускоряющей ВЧ системе способствует уменьшению плотности заряженных частиц в отдельном ускоряющем канале и вероятности их взаимных столкновений при ускорении. Данный фактор содействует повышению интенсивности заряженных частиц в пучке на выходе ускоряющей ВЧ системы.
Конструкция примененной ускоряющей ВЧ системы, адаптированная для достижения целей заявленной полезной модели, обладает возможностью одновременного ускорения нескольких пучков заряженных частиц при помощи электромагнитного поля бегущей волны типа Н10, генерируемой генератором ВЧ колебаний 13 «Г», рис. 2 и работает следующим образом. Волны ВЧ колебаний электрического напряжения, от высокочастотного генератора 13 «Г», с заданным различием фаз, вводятся в пространство внутри многоапертурной ускоряющей системы через высокочастотные фидеры (волноводы), и поступают на соответствующие многоапертурные трубки дрейфа 10, соединенные посредством волноводов 11, рис. 2. Передаваемая по соответствующим волноводам ВЧ электрическая мощность, поступает, со скоростью движения электромагнитных волн по волноводам на соответствующие трубки дрейфа 10. Она генерирует в них ускоряющее электрическое поле, образующееся в результате возникновения в зазорах между смежными трубками дрейфа, из-за сдвига фаз, разности электрических потенциалов. Напряженность этого поля зависит от величины сдвига фаз в электромагнитных волнах, поступающих от генератора ВЧ колебаний 13. В примененной ускоряющей ВЧ системе, рис. 2, фазовый сдвиг волн выбран равным π/2, и адаптирован для ускорения кластерных ионов изотопов водорода. Наличие согласующих нагрузок 12 «R» на противоположных от фидеров концах волноводов 11, позволяет гасить избыток электромагнитной энергии в волноводах, и формировать в них электромагнитные волны бегущего типа, осуществляющие перенос мощности электрического ВЧ поля вдоль ускорительного тракта. Скорость распространения этих волн в волноводах подобрана из условия согласования со скоростью движения пучка однозарядных кластеров дейтерия, с величиной собственной массы в пределах 100-150 а.е.м.
Изменение длины волноводов 11 между соответствующими трубками дрейфа 10 (путем регулирования их диаметра 2а и шага спирали S), рис. 2, позволяет согласовать условия взаимодействия ускоряющего электрического поля в зазорах между этими трубками дрейфа со скоростью движения ускоряемого пучка кластерных ионов. Примененное в многоапертурной высокочастотной системе для ускорения кластерных ионов симметричное относительно центральной продольной оси данной ВЧ системы продольное расположение конструктивно выполненных в виде спиралей волноводов 11, позволяет увеличивать их длину, без существенного увеличивая радиальных размеров корпуса данной ВЧ системы, рис. 2. В силу аксиальной симметричности конструкции каналов многоапертурной ускоряющей ВЧ системы, величиной радиальной составляющей электрического поля в ее ускоряющих зазорах можно пренебречь. Уменьшение пространственной плотности частиц в ускоряющих каналах обеспечивается распределением трубок тока инжектируемого в данную систему (структуру) пучка кластерных ионов между соосными апертурами в многоапертурных трубках дрейфа 10, установленных как в теле соответствующих потенциальных электродов 9, так и между апертурами других трубок дрейфа, соединенных соответствующими волноводами 11, рис. 2. Наличие потенциальных электродов 9 и соединение звездой каждого из них с соответствующими многоапертурными трубками дрейфа 10 тремя волноводами 11, повышает жесткость всей конструкции, противодействуя пондеромоторным силам, возникающим при ускорении заряженных частиц, способным нарушить соосность ускоряющих каналов в этих трубках дрейфа, рис. 2. Изменением длины многоапертурных трубок дрейфа 10 осуществляется согласование скорости ускоряемого пучка заряженных частиц с динамикой изменения ВЧ ускоряющего поля между этими трубками дрейфа. Согласующие нагрузки 12 «R» и фидеры, соединяющие волноводы 11 с генератором ВЧ колебаний 13 «Г», являясь опорами потенциальных электродов 9 и соединенных с ними волноводами 11 соответствующих многоапертурных трубок дрейфа 10, рис. 2, повышают пространственную устойчивость всей конструкции.
По сравнению с прямыми волноводами, их спиральная форма позволяет уменьшать скорость распространения электромагнитной волны в волноводе. Эффект замедления скорости распространения электромагнитной волны за счет спиральности формы волновода оценивается по известной формуле для фазовой скорости Vf волны в спиральном волноводе
где а - радиус спирали волновода, s - шаг спирали волновода.
Замедление скорости распространения электромагнитных волн в волноводах, если их внутренняя полость заполнена диэлектриком, можно рассчитать по формуле
где ε - диэлектрическая проницаемость наполнителя, μ - магнитная проницаемость наполнителя, λkr - критическая длина волны, выше которой электромагнитные волны не могут распространяться по волноводу, зависящая от параметров внутренней полости волновода. Поскольку, для эффективного движение ВЧ волны по волноводу, λ должна быть << λkr, а для диэлектриков μ=1. Согласно (2), эффективность такого способа замедления можно оценить, ка
Из (3) следует, что заполнение полости волновода диэлектриками с различной величиной е, позволяет регулировать скорость движения ВЧ электромагнитной волны в таком волноводе пропорционально значению ε.
Реализованная в ускоряющей ВЧ системе такого типа совокупность конструктивных решений, горизонтальное, аксиально-симметричное расположение волноводов, соединяющих трубки дрейфа и выполнение этих волноводов в виде спиралей, заполненной диэлектриком, согласно (1) и (3), позволяют замедлять скорость движения ВЧ электромагнитной волны в волноводе на величину:
Согласно (4), при выборе диэлектрика с величиной е в пределах 2-100 и соответствующих значений шага спирали и ее диаметра, появляется возможность уменьшения скорости движения ВЧ волны в волноводах в десятки или даже сотни раз, что позволяет регулировать скорость последовательности изменения величины электрических потенциалов на трубках дрейфа в широком диапазоне, вплоть до радиотехнического диапазона частот, без увеличения размеров ускорителя. При ускорении кластеров с выбранном диапазоном масс (100-150 а.е.м.) полости волноводов в данной ускоряющей ВЧ системе диэлектриком не заполнялись. Применение в данной ускоряющей ВЧ системе многоканального принципа ускорения с соответствующим расположением ускоряющих каналов, позволяет ускорять кластеры с различной массой, способствует уменьшению их потерь при ускорении.
Реализованная в предложенной полезной модели возможность разнесения в пространстве областей экстракции кластерных ионов из плазмы, с радиальной компрессией пучков кластеров в отдельных каналах многоапертурного инжектора, и последующим ускорением их в многоканальной ускоряющей ВЧ системе с электромагнитными волнами бегущего типа, позволяет эффективно использовать несколько ИИ с низкой плотностью кластерных ионов, для увеличения суммарного тока заряженных частиц в пучке на выходе предложенного многоапертурного ускорителя кластерных ионов.
Перечисленные выше технические решения и появившиеся в результате их применения отличительные свойства, способствуют увеличению тока пучка на выходе многоапертурного ускорителя кластерных ионов, уменьшению потерь кластерных ионов и расширяют границы спектра масс для ускорения кластерных ионов различного типа.