накопитель низкоэнергетичных тяжелых ионов

Формула изобретения

НАКОПИТЕЛЬ НИЗКОЭНЕРГЕТИЧНЫХ ТЯЖЕЛЫХ ИОНОВ, содержащий вакуумную камеру, расположенную в рабочем зазоре электромагнита с катушкой возбуждения постоянного тока, установленной на центральном сердечнике, секторную магнитную систему для удержания пучка на орбите накопителя, источник ионов и импульсную систему вывода частиц из накопителя, отличающийся тем, что, с целью повышения интенсивности пучков ионов, источник ионов выполнен дуговым, при этом в его аноде выполнено отверстие для прохождения пучков, расположенное в медианной плоскости магнита, катод и антикатод расположены по разные стороны медианной плоскости, а ионный источник снабжен вытягивающим электродом.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к ускорительной технике, а именно к проблеме получения интенсивных сгустков тяжелых ионов с длительностью порядка микросекунд. Эта задача связана с трудностью, возникающей при заполнении накопительного кольца или синхротрона при инжекции пучков тяжелых ионов, когда требуется яркий источник ионов, высокая импульсная интенсивность пучка, поскольку эффективность инжекции существенно зависит от длительности сгустка ионов.

В ускорителях тяжелых ионов, например циклотронах, широко используется дуговой полный источник, позволяющий получать пучок высокой средней интенсивности (10¹³-10¹⁴ ч/с) многозарядных ионов (Z 8-10). Однако применение циклотрона в качестве инжектора накопителей тяжелых ионов с таким источником затруднительно из-за малоэффективного (10^-6) захвата частиц на центральную орбиту накопителя, так как интенсивность пучка составит 10⁷ - 10⁸ частиц в кольце (в случае однооборотной инжекции).

В качестве прототипа рассматривается небольшое накопительное кольцо с параметрами: R = 1,8 м, BR = 0,2 Тм, куда инжектируются ионы Н₂⁺, D₂⁺, Н^- с энергией 0,6 МэВ с помощью перезарядки частиц на газовом стриппере (С₇F₁₄). Период обращения ионов составляет ~ 0,3 мкс. Накопление тяжелых ионов в этой схеме практически невозможно из-за низкой эффективности перезарядки низкоэнергичных частиц на газовой мишени.

Целью изобретения является получение интенсивных коротких сгустков многозарядных ионов.

Цель достигается тем, что в известном накопителе ионов, содержащем электромагнит с одной катушкой возбуждения постоянного тока, установленной на центральном сердечнике, секторную магнитную структуру, образованную внешним ярмом электромагнита, и импульсную систему вывода частиц из накопителя, на центральной орбите дорожки накопителя установлен дуговой ионный источник открытого типа с осциллирующей дугой, состоящий из катода, располагаемого выше медианной плоскости (МП) накопителя, прямого либо косвенного накала, нагреваемого с помощью нити, и антикатода.

На фиг. 1 представлена схема накопителя; на фиг.2 - поперечное сечение электромагнита; на фиг.3 - источник ионов.

Накопитель содержит центральный сердечник 1 электромагнита, катушку 2 возбуждения, кольцевой полюс 3, секторные накладки 4, открытый дуговой ионный источник 5, катод 5₁, антикатод 5₂, конус-диафрагму 5₃, нить накала 5₄; вытягивающий электрод 6, импульсный дефлектор 7, фокусирующий канал 8, вакуумную камеру 9 накопителя.

Устройство работает следующим образом.

Электроны, эмиттируемые катодом, попадают в разряд через диафрагму 5₃ в верхней части камеры, служащей анодом, доходят до антикатода, находящегося под тем же потенциалом, возвращаются обратно, совершая колебания по оси разряда. В месте расположения диафрагмы или конуса осуществляется подача рабочего газа. Ионный источник 5 находится под положительным потенциалом V относительно земли. Образованные в разряде ионы с зарядом Z извлекаются из источника с помощью вытягивающего электрода 6 под потенциалом земли. Совершив оборот по дорожке накопителя, частицы при подходе к источнику теряют энергию, оказываясь в разряде, извлекаясь затем в последующий оборот. Если исключить возможные потери ионов пучка на перезарядку на газе камеры накопителя или в плазме дуги источника, на орбите будут накапливаться, удерживаться ионы, генерируемые непрерывно работающим ионным источником. Возможно накопление интенсивных пучков высокозарядных ионов, например с Z 12, интенсивность которых обычно менее 1 мкА.

Предельное количество частиц пучка (N_пред), удерживаемых на дорожке накопителя, определяется кулоновским сдвигом частоты бетатронных (аксиальных) колебаний до резонансного значения:

N_пред= , где , - относительные скорость и энергия частиц;

r_o = 1,5 10^-16 Z²/А_я - классический радиус иона (Z - заряд, А_я - масса);

A = - адмиттанс накопителя, а - полуапертура камеры накопителя (аксиальная); R - радиус накопления; F 1 - фактор огибающей пучка (F 1). Рассматриваемая трехсекторная структура накопителя характеризуется следующими параметрами: уровень среднего магнитного поля = 3 кГс; B = 2 аГс; В_х = 4 кГс (поле в долине и холме соответственно); BR = 1,2 кгсм; частоты бетатронных колебаний _r = 1,06, _z = 0,33, флаттер магнитного поля F₁ = 0,11; угол спиральности = 0; = _z = 0,17. Последнее определяет сдвиг частоты аксиальных колебаний до резонансного значения 2 _z= 1. Это линейный параметрический резонанс, усугубляемый при наличии первой гармоники магнитного поля h₁ и ее производной g₁ = dh₁/dr. Можно ожидать, что максимальный рост амплитуды вертикальных колебаний за оборот A_z = Rg₁Z_o/ составит ~1 мм, что не описано при апертуре 2а 10 см. К примеру, для ионов с А_я = 80, Z = 8, извлекаемых из источника с потенциалом V = 70 кВ, предельное количество частиц составит более 10¹⁰ или ток пучка 1,0 мА. После завершения цикла накопления ионов, продолжительность которого выбирается в зависимости от эффективности получения в дуговом источнике иона данного элемента с требуемым зарядом (1-10 мс), включается импульсный дефлектор и пучок накопленных ионов в течение одного оборота (1-3 мкс) выводится с дорожки из камеры накопителя, фокусируясь в рассеянном магнитном поле с помощью электростатического либо магнитного накала в ионопровод для транспортировки и инжекции в постускоритель.