Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Генерация пучков ионов с большой фазовой плотностью тока и малой величиной фазового объёма 12
1.1. Современное состояние методов генерации источниками ионов сильноточных пучков с малым фазовым объёмом 13
1.2. Физические принципы увеличения фазовой плотности тока пучка на выходе источников ионов с электрическим разрядом 18
1.3. Плазменный эмиттер для генерации сильноточных пучков ионов с большой фазовой плотностью тока и малым фазовым объёмом 21
Глава 2. Уменьшение потока неионизированного газа на выходе генератора заряженных частиц 30
2.1. Регулировка потока газа в канале эмиссии анода 34
2.2. Применение безнакальных катодов для уменьшения потока газа в режимах генерации импульсных и непрерывных пучков ионов 48
Глава 3. Разработка источника ионов плазматронного типа с мультипольним магнитным полем 55
3.1 Физические принципы генератора ионов 55
3.2. Устройство и работа источника ионов 57
3.3. Особенности конструкции МП-дуоплазматрона, параметры плазмы и характеристики пучков, генерируемых источником 65
3.4. Получение ионов металлов в источнике с мультипольным магнитным полем 79
3.5. Источник с мультипольным магнитным полем в многолучевом ускорителе ионов 84
Глава 4. Другие способы увеличения фазовой плотности тока пучка на выходе источников заряженных частиц 93
Заключение 101
Литература 104
Приложение 110
- Физические принципы увеличения фазовой плотности тока пучка на выходе источников ионов с электрическим разрядом
- Применение безнакальных катодов для уменьшения потока газа в режимах генерации импульсных и непрерывных пучков ионов
- Устройство и работа источника ионов
- Другие способы увеличения фазовой плотности тока пучка на выходе источников заряженных частиц
Введение к работе
Диссертация посвящена решению задач формирования пучков ионов с большой фазовой плотностью тока, предназначенных для сильноточных ускорителей заряженных частиц.
Такие ускорители широко используются в различных областях науки и техники [1]. В технологиях, связанных с медициной [2], производством новых материалов [3], обнаружением и мониторингом делящихся веществ [4], построением ускорительных комплексов (драйверов) для управляемого термоядерного синтеза, обладающих гигантской импульсной мощностью [5], исследованием космоса [6] требуются сильноточные ускорители, способные ускорять ионы до высоких энергий.
При построении подобных установок необходимо решать задачи как по обеспечению большой пропускной способности ускоряющих структур, так и по достижению вырокого темпа ускорения заряженных частиц.
Во многом трудности, связанные с увеличением пропускной способности ускоряющих секций сильноточных ускорителей, удалось решить с открытием принципа пространственно-однородной квадрупольной фокусировки (ПОКФ) [7]. Наиболее высокий темп ускорения достигнут в ускорителях с фазопере-менной фокусировкой (ФПФ). Применение многолучевых ускорителей такого типа позволяет ускорять сильноточные пучки ионов [8].
Для изучения вопросов, связанных с прохождением сильноточного пучка через ускоряющие секции, в ИТЭФ был разработан и запущен в эксплуатацию прототип начальной части ускорительного комплекса тяжёлых ионов, предназначенного для изучения проблем инерционного термоядерного синтеза - линейный ускоритель тяжёлых ионов с пространственно-однородной фокусировкой ТИПр-1 [9]. Проблемы, связанные с достижением высокого темпа одновременного ускорения нескольких пучков, изучались на ускорителе протонов с многоапертурной ускоряющей структурой. В этом ускорителе ионы ускорялись высокочастотным (ВЧ) электрическим полем, и использовался принцип фазо- переменной фокусировки [10]. Источником ионов (ИИ) в многолучевом ускорителе протонов служил дуоплазматрон с безнакальным катодом [11]. Такой ИИ обеспечивает работу линейного ускорителя «И-2», являющегося инжектором протонного синхротрона ИТЭФ, на котором проводятся работы по увеличению тока ускоряемого пучка. Модифицированный вариант дуоплазматрона использовался при ускорении ионов Хе иХе в ускорителе ТИПр-1 [12].
Результаты теоретических [13] и экспериментальных исследований, проведённых в ИТЭФ на упомянутых выше установках [9, 14], показали, что для дальнейшего увеличения тока ускоренного пучка требуются источники ионов, способные генерировать пучки с большим током и малой величиной эмиттанса. Целью диссертации является разработка физических способов и технических решений, позволяющих увеличивать фазовую плотность тока и уменьшать фазовый объём пучков, извлекаемых из источников ионов плазматронного типа с электрическим разрядом, и генерировать в них ионы газов и металлов.
Этот тип источников выбран для разработки потому, что они генерируют сильноточные пучки с большим количеством ионов и удовлетворяют условию применения в перечисленных выше ускорителях. Такие ИИ представляют интерес, для решения проблем термоядерного синтеза.
Обобщим факторы, влияющие на достижение поставленной цели: Наличие остаточного газа на траектории движения ускоренного пучка ионов приводит к потере тока пучка в результате перезарядки и рассеяния его ионов на молекулах и атомах газа. Кроме того, ускоренные частицы, ионизируя молекулы остаточного газа, образуют в области дрейфа пучка вторичную плазму, электрические поля и плазменные колебания которой увеличивают фазовый объём проходящего ансамбля заряженных частиц. Перечисленные эффекты препятствуют получению сильноточных пучков ионов с большой фазовой плотностью тока и малой величиной эмиттанса [13, 15]. Практика эксплуатации линейного ускорителя И-2 показала, что основной компонентой остаточного газа на траектории движения пучка заряженных частиц является неионизированный газ, вытекающий из ге-
5 нератора плазмы [11]. Эксперименты, проведённые на этом ускорителе, свидетельствуют о том, что уменьшение потока остаточного газа на выходе дуоплазматрона приводит к повышению фазовой плотности тока пучка протонов в инжекторе и увеличению ускоренного тока пучка на выходе ускорителя И-2 [16]. Таким образом, понижение потока остаточного газа, вытекающего из источника ионов, является важным фактором увеличения фазовой плотности тока пучка при получении ионов газов. Максимальная величина плотности тока в пучке заряженных частиц, которую может обеспечить плазменный эмиттер, зависит от плотности плазмы в нём [17]. Эмиттанс инжектируемых ионных пучков увеличивается с ростом температуры эмиттера [15, С. 286]. Величина и форма фазового объёма пучка, экстрагируемого из плазмы, связаны с состоянием и формой поверхности эмиссии ионов, которые зависят от уровня шумов в плазме [18]. С учётом перечисленных факторов для увеличения фазовой плотности тока пучка необходимо формировать на выходе источника ионов плазму с низким уровнем собственных шумов, высокой плотностью заряженных частиц и малой температурой ионов. Среди существующих методов повышения плотности плазмы на выходе ИИ плазматронного типа выделим генерацию плазмы в двухступенчатом электрическом разряде, в котором плазма первой ступени является эмиттером электронов для формирования на выходе источника ионов второй ступени разряда [19]. Представителем таких источников являются дуоплазматроны. Практически во всех ИИ с двухступенчатым электрическим разрядом для повышения плотности плазмы применяют магнитное поле. Наличие магнитного поля на выходе дуоплазматронов приводит к росту температуры и шумов в плазме, что способствует увеличению фазового объёма и уменьшению фазовой плотности тока инжектируемого пучка ионов. Источники ионов без магнитного поля (ИБМ источники), в которых плазма образуется при горении электрической дуги в газе, характеризуются ма-лошумящей (спокойной), низкотемпературной плазмой, они способны
6 инжектировать пучки ионов с малой величиной эмиттанса [20]. Но отсутствие в таких генераторах ионов специальных механизмов удержания заряженных частиц в электрическом разряде приводит к уменьшению плотности плазмы, понижая эффективность использования электрической мощности и рабочего газа в ИИ. Тем не менее, ИБМ показывает, что электрические разряды, в плазме которых нет магнитного поля, позволяют формировать пучки ионов с малым фазовым объёмом. Для получения ионов металлов широко используют способ генерации плазмы в вакуумной дуге электрического разряда, горящего в парах металла (metal vapor vacuum arc), реализуемый в источниках MEVVA [21]. Пучки ионов, инжектируемые такими источниками, характеризуются большой нестабильностью амплитуды и формы импульсов тока как во время горения электрического разряда, так и от импульса к импульсу. Проведённое обобщение показывает, что известны методики, позволяющие увеличивать фазовую плотность тока пучка при получении ионов газов, и, что широкому применению разрядов MEVVA для инжекции ионов металлов в ускоритель заряженных частиц препятствует низкая стабильность амплитуды и формы генерируемых импульсов тока пучка. В выбранном для разработки классе ИИ в настоящее время отсутствует метод, позволяющий объединить в одном источнике возможности существующих методик.
Для генерации сильноточных пучков ионов газов и металлов с малым фазовым объёмом в диссертации требовалось решить следующие задачи:
Разработать способы и технические решения, позволяющие уменьшить поток неионизированного газа, вытекающего из ИИ, и проверить их на действующих ускорителях и генераторах заряженных частиц.
Разработать способ формирования низкотемпературной плазмы с высокой плотностью заряженных частиц, используя многоступенчатые электрические разряды, в которых отсутствует магнитное поле. Создать ИИ плазма-тронного типа с безнакальным катодом, в котором используется многоступенчатый электрический разряд с высокой плотностью плазмы в начальных
7 ступенях и отсутствием магнитного поля в конечной ступени разряда на выходе источника. В диссертации этот ИИ получил название МП-дуоплазматрон, поскольку он является источником плазматронного типа и в нём применяется мультипольное магнитное поле, не проникающее в плазму электрического разряда.
Разработать безнакальный катод, позволяющий формировать в МП-дуоплазматроне двух и трёх ступенчатые электрические разряды различного типа, и генерировать пучки ионов газов и металлов без изменения конструкции источника. На действующих ускорителях проверить возможность ин-жекции из плазмы многоступенчатых разрядов MEVVA, полученных в МП-дуоплазматроне с таким катодом пучков ионов различных металлов с большой фазовой плотностью тока, малой величиной эмиттанса и стабильными по амплитуде и форме импульсами тока.
Разработать инжектор ускорителя протонов для 19-ти апертурной ускоряющей структуры с ФПФ, в котором генераторами ионов являются дуоплазма-трон, аналогичный по конструкции ИИ, установленному на ускорителе И-2, и МП-дуоплазматрон. Провести эксперименты по ускорению пучков, генерируемых этими ИИ в разработанном ускорителе.
На действующих ускорителях показать, что разработанные способы и технические решения позволяют увеличивать ускоряемый в них ток ионов. Структура настоящей работы составлена таким образом, что в первой главе рассмотрены актуальность и предпосылки для генерации пучков ионов с большой фазовой плотностью тока и малой величиной фазового объёма. Проведён обзор современного состояния методов генерации сильноточных пучков ионов газов и металлов с малой величиной фазового объёма. Определён класс источников заряженных частиц, для которого будут решаться поставленные задачи. Разработаны способы увеличения фазовой плотности тока ионов, уменьшения эмиттанса пучка и генерации ионов металлов в источниках плазматронного типа с электрическим разрядом. Путём аналитических расчётов оценена возможность реализации этих способов в плазменном эмиттере ионов. Показано, что
8 плазма в таком эмиттере способна обеспечить генерацию пучков ионов, фазовая плотность тока в которых более чем в три раза превышает аналогичную характеристику ионного пучка на выходе дуоплазматрона ускорителя И-2.
Во второй главе показана актуальность уменьшения потока неионизирован-ного газа, вытекающего из генератора ионов. Представлены способы, разработанные для этой цели и созданные на их основе конструкции катодов и анодов. Приведены результаты опытов на действующих ускорителях, подтверждающие способность таких катодов и анодов работать в ИИ, генерирующих импульсные и непрерывные во времени пучки. Показано, что применение этих разработок приводит к росту тока ионов, инжектируемых ИИ в ускоритель.
Третья глава посвящена описанию конструкции и особенностям работы МП-дуоплазматрона. Приведены результаты экспериментов по генерации в МП-дуоплазматроне ионов газов и металлов. На основе полученных результатов рассчитаны параметры плазмы в экспериментальном источнике. Проведено сравнение характеристик ионных пучков и параметров плазмы, генерируемых МП-дуоплазматроном и дуоплазматроном ускорителя И-2. В диссертации возможности разработанных источников ионов сравниваются с характеристиками дуоплазматрона ускорителя И-2, являющегося ярким представителем сильноточных ИИ, удовлетворяющих строгим требованиям инжекции пучка в ускорители различного типа. Описаны эксперименты по ускорению пучков протонов, генерируемых МП-дуоплазматроном и дуоплазматроном в многолучевом ускорителе с ФПФ [22].
В четвёртой главе показаны возможности получения сильноточных пучков ионов с малой величиной эмиттанса не только в многоступенчатом электрическом разряде и за счёт уменьшения потока неионизированного газа на выходе генератора заряженных частиц, но и другими разработанными способами. Предложены ИИ, реализующие эти разработки.
В заключении приведены результаты решения поставленных задач. Показана перспектива применения проведённых разработок.
Научная новизна диссертации заключается в том, что:
Разработан оригинальный способ уменьшения потока газа из ИИ, работающего с импульсными и непрерывными во времени пучками ионов, не перекрывая канал эмиссии. В этом способе реализовано разделение в канале эмиссии потоков заряженных частиц и нейтрального газа с последующим удалением нейтралов из канала эмиссии.
Разработан способ усиления эмиссионной способности полых безнакальных катодов за счёт формирования магнитного поля в полости катодов.
Предложено стабилизировать амплитуду и форму импульсов тока пучков ионов металлов, инжектируемых плазмой одноступенчатых электрических разрядов MEVVA, путём их структурирования в многоступенчатые разряды.
Разработан новый способ получения низкотемпературной плазмы с большой плотностью заряженных частиц в многоступенчатых электрических разрядах. В плазме конечной ступени этих разрядов отсутствует магнитное поле, а плотность плазмы в начальных ступенях увеличивается за счёт удержания её заряженных частиц при помощи мультипольного магнитного поля, не проникающего в разряд.
Практическая ценность диссертации заключается в следующем: А. Разработаны способы усиления эффекта полого катода, которые были реализованы в различных конструкциях безнакальных катодов. Применение таких катодов позволило в несколько раз уменьшить рабочее давление газа в ИИ и обеспечить устойчивую генерацию дуоплазматроном непрерывного во времени пучка протонов с током 20 мА [23]. В результате модернизации дуоплазматрона ускорителя И-2, в котором использовался катод аналогичного типа, повысилась надёжность работы ускорителя и ток пучка протонов, инжектируемого источником на вход ускоряющей структуры, возрос с 0,7 до 1 А. Фазовый объём пучка остался неизменным [24].
Б. Разработаны аноды, позволяющие уменьшить поток неионизированного газа на выходе из источника ионов как в импульсном режиме генерации ионов, так и при работе с непрерывным во времени пучком заряженных частиц. Эти
10 аноды нашли применение в различных ускорителях ионов. ИИ с регулируемой газовой проводимостью канала эмиссии и канала напуска рабочего газа применялся в ускорителе тяжёлых ионов [25]. Другой анод, с вращающейся заслонкой, которая перекрывает канал эмиссии, является базовой конструкцией ИИ ускорительного комплекса нейтронного генератора ИТЭФ [26]. В. Разработан и создан универсальный источник ионов плазматронного типа с двух и трёхступенчатыми электрическими разрядами различного вида и муль-типольным магнитным полем, не проникающим в плазму разряда. Источник способен оперативно переходить из режима генерации сильноточных пучков ионов газов в режим получения ионов металлов и обратно без изменения конструкции. Ионные пучки на выходе МП-дуоплазматрона отличаются высокой фазовой плотностью тока, малой величиной эмиттанса, стабильной повторяемостью амплитуды и формы импульсов тока. Применение МП-дуоплазматрона в многолучевом ускорителе ионов с ФПФ позволило увеличить ток ускоренного пучка протонов более чем в 6 раз по сравнению с дуоплазматроном, по конструкции аналогичным ИИ, установленному на ускорителе И-2 [22]. Г. Показаны перспективные способы увеличения фазовой плотности тока в пучке ионов и разработаны конструкции ИИ, позволяющие генерировать сильноточные пучки ионов с малой величиной эмиттанса. Один из таких ИИ применялся на ускорителе ТИПр-1 для ускорения ионов ксенона [27]. К защите представляются:
Разработанные конструкции источников ионов, позволяющие уменьшать поток вытекающего из них неионизированного газа.
Разработанный МП-дуоплазматрон, генерирующий сильноточные пучки ионов металлов и газов, фазовая плотность тока протонов в которых достигает 6 А/см-мрад, фазовый объём равен 0,09 см-мрад..
Разработанный безнакальный катод, применение которого позволяет формировать в ИИ без изменения его конструкции многоступенчатые электрические разряды различного типа, получать на выходе источника
11 стабильные по амплитуде тока и форме импульсов пучки ионов газов и металлов и уменьшать поток вытекающего из него газа.
4. Результаты применения разработанных источников ионов в ускорителях заряженных частиц.
Основные конструкторские разработки, результаты и выводы, включённые в диссертацию, докладывались и обсуждались на международных и всесоюзных конференциях и семинарах по ионным источникам и ускорителям заряженных частиц и других совещаниях. Работы были представлены на Всесоюзном семинаре по физике быстротекущих процессов в плазме (г. Гродно, октябрь, 1986 г.), 10-м Всесоюзном совещании по ускорителям заряженных частиц (г. Дубна, октябрь, 1986 г.), на 11-м Всесоюзном семинаре по линейным ускорителям (г. Харьков, июнь, 1989 г.), на 10-м Всесоюзном семинаре по физике и технике интенсивных источников и ионных пучков (г. Киев, май, 1990 г.), на 12-м Всесоюзном совещании по ускорителям заряженных частиц (г. Москва, ИТЭФ, октябрь, 1990 г.), на Международной конференции по ускорителям заряженных частиц (Канада, г. Ванкувер, май, 1997 г.), на 51-й Международной конференции по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра (Нижегородская область, г. Саров, сентябрь, 2001 г.). Представленные в диссертации разработки защищены 12-ю авторскими свидетельствами и патентами на изобретение.
Диссертация состоит из введения, 4-х глав и заключения. Общий объём диссертации составляет ПО страниц, в том числе 28 рисунков и библиография, включающая 69 наименований.
Физические принципы увеличения фазовой плотности тока пучка на выходе источников ионов с электрическим разрядом
Основное внимание в работе уделено рассмотрению двух направлений, позволяющих увеличивать фазовую плотность тока при получении сильноточных пучков заряженных частиц: 1. Путём уменьшения потока газа на выходе источника ионов. 2. За счёт создания плазменного эмиттера, удовлетворяющего сформулированным выше условиям генерации ПУЧКОВ ИОНОВ С большой плотностью тока и малой величиной эмиттанса.
Такое разделение направлений, в каждом из которых разрабатывается несколько независимых способов и реализующих их технических решений увеличения фазовой плотности тока и уменьшения эмиттанса генерируемого пучка, расширяет возможности создания сильноточных ИИ, способных инжектировать пучки с большой фазовой плотностью тока и малой величиной эмиттанса.
Определим основные физические принципы и технические решения, применяемые для разработки универсального ИИ, способного инжектировать сильноточные пучки ионов различных элементов с малой величиной эмиттанса. 1. При получении ионов газообразных веществ в экспериментальном источнике используется плазма многоступенчатого электрического разряда, горящего в области, свободной от магнитного поля. 2. Для генерации ионов металлов применяется разряд MEVVA. 3. Уменьшение величины потока газа на выходе генератора заряженных час тиц достигается путём изменения газовой проводимости канала эмиссии в ано де либо за счёт уменьшения давления рабочего газа в источнике.
Оценим возможность и определим способы реализации этого положения. Величина плотности тока пучка, экстрагируемого из ИИ, не может превзойти значение максимальной плотности ионного тока, которое способна обеспечить плазма. Как показано в [18], эта плотность связана с плотностью ионизирующих газ электронов и их температурой формулой где: е - заряд электрона; пе - плотность электронов в плазме; к - постоянная Больцмана; Те - температура электронов в плазме; Mt - масса иона. Согласно этой формуле, для получения большой плотности тока пучка ионов на выходе источника необходимо иметь высокую плотность потока электронов, ионизирующих газ. Оценки, проведённые с учётом уравнения (3) для параметров дуо-плазматронов, описанных в [32], показывают, что плазма, которая имеет плотность 101 -1014 см 3 в канале эмиссии дуоплазматрона, способна инжектировать пучок протонов с плотностью тока 4-90 А/см . Наличие потенциальной возможности инжекции ионных пучков с таким большим запасом по плотности тока позволяет понижать рабочее давление газа в источнике. Поскольку в формуле (3) плотность инжектируемого тока ионов зависит от плотности ионизирующих газ электронов, уменьшение давления и плотности ионизируемого газа можно компенсировать увеличением плотности потока электронов в область ионизации. Кроме того, понизить величину рабочего давления газа в источнике ионов возможно за счёт возбуждения атомов и молекул газа, если их возбуждение произвести непосредственно перед зажиганием основного электрического разряда. Сечение ионизации возбуждённого атома существенно больше, чем сечение его ионизации из основного состояния. Перечисленные факторы облегчают процесс развития электрического разряда в газе, у которого молекулы и атомы находятся в возбуждённом состоянии [35]. 4. Как показал опыт работы на ускорителе И-2, применение безнакальных катодов увеличивает срок службы источника ионов. Повысить эмиссионную способность таких эмиттеров электронов в несколько раз, можно путём использования в них эффекта полого катода [36].
Рассмотрим условия и способы формирования требуемого эмиттера ионов. Для создания плазменного эмиттера, способного обеспечить получение сильноточных пучков заряженных частиц, в разрабатываемой конструкции ИИ применены реализованные в дуоплазматронах способы эффективной ионизации газа. В экспериментальном ИИ также формируется многоступенчатый электрический разряд. Отличительной его особенностью является отсутствие магнитного поля в конечной ступени, что позволяет уменьшить температуру ионов в плазме. Удержание заряженных частиц в области начальных ступеней разряда производится при помощи мультипольного магнитного поля, конфигурация которого аналогична полю, применяемому в ИПМ и радиального электрического поля.
Работа дуоплазматронов характеризуется хорошей повторяемостью амплитуды и формы импульсов тока пучка. Поэтому предлагается для стабилизации этих параметров при получении ионов металлов одноступенчатый разряд MEVVA преобразовать в многоступенчатый аналогичным способом. В этом случае начальная ступень электрического разряда с нестабильной плазмой будет использоваться для заполнения ИИ парами металлов. На выходе ИИ эти пары будут ионизироваться как и в дуоплазматроне электронами, пришедшими из предыдущих ступеней электрического разряда.
В этом разделе главы показано, как физические процессы, связанные: с возбуждением рабочего газа в источнике электрическим разрядом, с усилением эффекта полого катода, с формированием многоступенчатых электрических разрядов различного типа, в которых мультипольное магнитное поле удерживает плазму в начальных ступенях и отсутствует в конечной ступени, с уменьшением потока газа через канал эмиссии, используются для разработки универсального источника, генерирующего пучки ионов газов и металлов с большой фазовой плотностью тока и малой величиной эмиттанса.
Применение безнакальных катодов для уменьшения потока газа в режимах генерации импульсных и непрерывных пучков ионов
Понижать величину потока остаточного газа на выходе ИИ путём уменьшения давления газа в разрядной камере особенно актуально при работе с короткими во времени периодами выпуска ионов и газа из источника. В этом режиме на распределение плотности нейтралов по тракту движения пучка более значимое влияние оказывают не усреднённая скорость откачки газа, а динамические характеристики газовой струи. Компенсировать уменьшение плотности газа в электрическом разряде, возникающее при понижении его рабочего давления в источнике, можно за счёт увеличения эффективности ионизации этого таза.
Повысить эффективность ионизации рабочего газа в источнике ионов можно путём увеличения плотности потока электронов, эмитируемых катодом. Один из способов увеличения эмиссионной способности катодов заключается в усилении в них эффекта полого катода [33]. Для реализации этого метода были разработаны способы усиления эффекта полого катода, позволяющие применять безнакальные катоды для устойчивой генерации непрерывных во времени пучков ионов [47].
В [38] показано, что при непрерывном во времени процессе горения электрического разряда с холодного катода конусного типа наблюдается потеря эмиссионной способности катода. Это явление обусловлено не только быстрым износом острия конуса, эмитирующего электроны, но и адсорбцией посторонних примесей на данном острие (прежде всего ионов кислорода и углерода). В режиме импульсной генерации пучков с малой скважностью импульсов по мере увеличения температуры рабочего газа наблюдаются эффекты, осложняющие процесс горения электрической дуги и генерации ионов источником [48]. Использование холодных катодов, в конструкции которых усилен эффект полого катода, позволяет компенсировать негативные последствия уменьшения плотности молекул нейтрального газа в электрической дуге при работе с малой скважностью следования импульсов тока ионного пучка [49]. Для применения безнакальных катодов в режимах работы с малой скважностью следования импульсов электрического разряда, вплоть до генерации непрерывных во времени ионных пучков, использовалось явление глубокого проникновения плазмы внутрь катодной полости, наблюдаемое при усилении эффекта полого катода [36]. Реализация этого явления осуществлялась в полом цилиндрическом безна-кальном катоде путём оптимизации геометрии катодного цилиндра. Толщина его боковых стенок и отношение диаметра цилиндра к глубине полости подбирались, исходя из условий наибольшего проникновения плазмы в полость катода [50]. В таком цилиндре электроны, поддерживающие процесс горения элек- трической дуги в источнике, инжектируются в разряд не только с острой внешней кромки цилиндра, но и с внутренней поверхности на всей глубине проникновения плазмы в его полость. Увеличение площади поверхности эмиссии электронов позволяет уменьшить износ острых кромок цилиндра в катоде, поскольку нагрузка на его острия возникает только в момент зажигания электрического разряда. Последующие электроны эмитируются уже из металла внутренней полости цилиндра [51]. Применение в дуоплазматроне безнакального цилиндрического катода такого типа позволило ИИ генерировать непрерывный во времени пучок ионов водорода с током -20 мА, который затем был ускорен до энергии 30 кэВ [23]. Рассмотрим разработанные конструкции катодов. 1. Разработан способ, позволяющий увеличивать ток эмиссии электронов полым безнакальным катодом за счёт увеличения в нём числа цилиндров [50]. Для его реализации были изготовлены безнакальные катоды, в которых несколько независимых цилиндров малого диаметра (в экспериментах применялось от двух до девятнадцати цилиндров) устанавливались на общую подложку. В опытах исследовалось влияние различных факторов, влияющих на величину тока эмитируемых электронов, связанных с количеством цилиндров на подложке, с их геометрией, материалом цилиндров. Внешний вид такого катода показан на фотографии рисунка 7.
Устройство и работа источника ионов
Внешний вид МП-дуоплазматрона со снятым наружным магнито проводящим кожухом показан на фотографии рисунка 10 в масштабе 1:5.
Конструкция, поясняющая устройство и работу этого источника ионов, показана на рисунке 11.
На этом рисунке показано, что безнакальный катод имеет два аксиально-симметричных металлических цилиндра 5, которые электрически изолированы друг от друга при помощи изолятора 3, выполненного в виде трубки и размещённого между подложками 2 катода. Конструкция такого катода приведена на рис. 9. Катод установлен на центральной продольной оси МП-дуоплазматрона внутри промежуточного электрода 4, выполненного из немагнитного материала в виде пустотелого цилиндра. Катод электрически изолирован от промежуточного электрода керамическими изоляторами 3. Шесть магнитов 6 из редкоземельного материала SmCos размещены равномерно по длине окружности поперечного сечения промежуточного электрода 4 на его внешней боковой поверхности. Расположение этих магнитов в ИИ можно видеть на фотографии рис. 10. Магниты формируют в области катода мультипольное магнитное поле сложной конфигурации. Количество магнитов, образующих магнитную систему МП-дуоплазматрона, может изменяться. Первый анод 12 установлен на противоположной от катода стороне разрядной камеры источника за промежуточным электродом 4. Этот анод отделён от промежуточного электрода 4 и магни-топроводящего кожуха 7 керамическими изоляторами 8. В конусе первого анода 12 имеется апертура, предназначенная для эмиссии электронов в направлении второго анода 13. Второй анод 13 соединён с корпусом ИИ и в нём имеется канал эмиссии, который перекрыт в промежутках между импульсами электрического разряда подвижной заслонкой электромагнитного клапана 14, открывающей его только на время, необходимое для выпуска ионов из источника. В это время плазма может свободно диффундировать через канал эмиссии в экспандер 15. Этот экспандер изготовлен в виде тонкостенного металлического цилиндра и позволяет формировать на выходе источника пучки ионов с диаметром, обеспечивающим геометрическое согласование их размеров с диаметром первой трубки дрейфа многолучевого ускорителя, поскольку ИИ планируется использовать в многолучевом ускорителе протонов. Внутри промежуточного электрода 4 силовые линии магнитного поля, созданного при помощи системы магнитов 6, имеют конфигурацию, показанную на рисунке 12. На рисунке 13 приведён график изменения напряжённости этого магнитного поля внутри промежуточного электрода в зависимости от расстояния между центральной продольной осью МП-дуоплазматрона и боковыми стенками промежуточного электрода. Напряжённость поля измерялась в плоскости полюсов магнитов, расположенных на диаметрально противоположных сторонах этого электрода.
На оси абсцисс графика рис. 13 показано отношение расстояния г между точкой измерения и боковой стенкой промежуточного электрода к внутреннему радиусу Rnp этого электрода. По оси ординат отложены значения напряжённости поля, измеренной при помощи прибора ЭМИ-2. Из рис. 13 видно, что величина напряжённости магнитного поля вблизи стенок промежуточного электрода (на полюсах магнитов) достигает В=1 кГс. По мере удаления от боковых стенок электрода в направлении к центральной оси камеры напряжённость поля начинает резко спадать. Вблизи центральной оси источника значение В 40 Гс, т.е. магнитное поле, практически отсутствует в плазме разряда. Как видно на рис. 11, внутренний стержень катода, в котором имеется канал напуска газа 1, электрически соединён с блоком электропитания Б1. Общая шина блока Б1 подсоединена к внешней подложке катода 2, которая также соединена с блоком электропитания Б2. Промежуточный электрод 4 соединён с блоком электропитания БЗ. Электрический потенциал на первом аноде 12 регулируется при помощи блока электропитания Б4. Работой электромагнитного клапана 14 управляет блок электропитания Б5. Блоки Б1-Б5 установлены на высоковольтной платформе ВП, величина постоянного электрического потенциала положительной полярности на которой регулируется относительно земли при помощи промышленного блока электропитания, на рис. 11 не показанного.
Последовательность поступления электрических импульсов от блоков электропитания на узлы и электроды МП- дуоплазматрона следующая. За 1,2-1,5 мс до зажигания в ИИ электрического разряда импульс тока с блока электропитания Б5 приводит в действие электромагнитный клапан 14, открывая канал эмиссии ионов в аноде. За 1-3 мкс до подачи импульсов электрического напряжения на промежуточный электрод 4 и первый анод 12 короткий во времени импульс электрического напряжения отрицательной полярности подаётся от блока электропитания Б1 на внутреннюю подложку катода 2, увеличивая её электрический потенциал относительно внешней подложки. Возникает электрический пробой промежутка между цилиндрами катода 5, который возбуждает рабочий газ. После этого, импульсы электрического напряжения отрицательной полярности и различной амплитуды одновременно поступают от блоков Б2, БЗ и Б4 на катодный блок 2, промежуточный электрод 4 и первый анод 12, зажигая основной электрический разряд в ИИ.
Другие способы увеличения фазовой плотности тока пучка на выходе источников заряженных частиц
Увеличивать эффективность захвата ионов пучка ускоряющей структурой в режим ускорения можно не только рассмотренными выше способами. На величину фазовой плотности тока и ускоренного в ускорителе тока пучка влияют: характеристики ионно-оптической системы источника, спектральный состав пучка на входе в ускоряющую структуру, способ ионизации газа в ИИ и т.п.. В этой главе представлены новые способы и реализующие их технические решения, которые позволяют получать сильноточные пучки ионов с малой величиной эмиттанса.
1. Один из них заключается в повышении плотности плазмы второй ступени электрического разряда путём её обжима при помощи магнитного поля без увеличения температуры заряженных частиц плазмы. Физическая основа предложенного способа отличается от той, которую реализовал Ардене в дуоплазма-троне, контрагируя плазму второй ступени электрического разряда аксиально-симметричным магнитным полем, пронизывающим всю область, занимаемую плазмой. Известно, что отсутствие магнитного поля в плазме разряда способствует уменьшению её собственных шумов и позволяет формировать на выходе ИИ спокойную плазму с низкой температурой. В основу разработанного метода положен эффект удержания электронов в плазме конечной ступени электрического разряда при помощи радиального электрического поля. Удерживание электронов в разряде способствует увеличению плотности плазмы на выходе источника ионов. Этот метод был реализован в дуоплазматроне, в котором отсутствовала электромагнитная катушка, формирующая аксиальное магнитное поле в зазоре между анодом и промежуточным электродом. Увеличение плотности плазмы на выходе ИИ осуществлялось при помощи установленной в этом зазоре вставки, выполненной в виде тонкостенной металлической трубки, на которую подавался электрический потенциал от блока электропитания [64].
Чертёж, поясняющий работу дуоплазматрона без магнитного поля, приведён на рисунке 24.
Известно, что плазма электрического разряда всегда имеет положительный электрический потенциал по отношению к окружающим её электродам. На вставку 3 подаётся от блока электропитания БП отрицательный относительно анода и корпуса источника электрический потенциал. Удержание электронов в плазме электрического разряда от ухода на боковые стенки вставки производится разностью электрических потенциалов, возникающей между стенками вставки и плазменным столбом разряда. При горении электрической дуги металл вставки нагревается, и сама трубка становится эмиттером электронов. Кроме того, вставка увеличивает плотность плазмы в области канала эмиссии за счёт возникающего в ней эффекта полого катода. Пучок протонов на выходе такого ИИ имел фазовую плотность тока в 1,5 большую, чем фазовая плотность тока пучка на выходе дуоплазматрона [64].
2. Взаимодействие пучка ионов с электронами и частицами распылённого металла, образующимися в результате попадания пучка на электроды ионно-оптической системы, может приводить к рассеянию и перезарядке ионов в пучке. Такая потеря частиц уменьшает фазовую плотность тока пучка на выходе источника ионов. Кроме того, вторичные электроны из пучковой плазмы и электроны, выбитые из электродов ИОС, ускоряясь в сторону ИИ, разрушают электроды как ионной оптики, так и источника ионов. Для уменьшения влияния вторичных частиц на величину фазовой плотности тока пучка, генерируемого ИИ, разработан способ защиты электродов ИОС при помощи магнитного поля за данной конфигурации. Этот способ нашёл экспериментальное применение в ионно-оптической системе, показанной на рисунке 25.
Как видно из этого рисунка, пучок заряженных частиц инжектируется источником ионов 1 и ускоряется в зазоре между ИИ и ускоряющим электродом 2. На ускоряющем электроде 2 намотана электромагнитная катушка 3. Катушка формирует магнитное поле, конфигурация силовых линий 4 которого показана на рис. 25. Электроны из пучковой плазмы 5, образующейся в зоне дрейфа ионного пучка за пределами ИОС, ускоряются в сторону ИИ, попадают в магнитное поле 4 и «замагничиваются» на его силовых линиях. Конфигурация магнитного поля такова, что периферийные электроны отклоняются в радиальном направлении быстрее, чем электроны, идущие вблизи центральной продольной оси источника. В результате изменяется распределение плотности электронного потока внутри ИОС в поперечном направлении. Перераспределение плотности электронов создаёт радиальное электрическое поле, в котором пучок быстрых ионов отклоняется в сторону центральной продольной оси, что уменьшает вероятность попадания его ионов в электроды ионно-оптической системы. Применение такой ИОС в дуоплазматроне позволило на 25% уменьшить эмиттанс генерируемого пучка протонов [65]. 3. Известно, что попадание на вход ускорителя, рассчитанного на захват и ускорение частиц определённого сорта смешанного пучка ионов, различающихся по зарядам и массе, приводит к уменьшению фазовой плотности тока в пучке и уменьшает эффективность захвата частиц требуемого сорта в процесс ускорения. Разделение смешанного ансамбля ионов при помощи магнитного поля приводит к ухудшению фазовых характеристик пучка. Применение для этих целей метода времени пролёта в большинстве случаев требует использования коротких импульсов тока пучка. Формирование таких импульсов путём запирания потока ионов, экстрагируемого из плазмы, с последующим его отпиранием на короткое время, связано с изменением положения и формы эмиссионной границы плазмы, что отрицательно сказывается на качестве пучка заряженных частиц.
