Способ получения многозарядных ионов

Способ получения многозарядных ионов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ Д ПОГОЗАРЯДНЫХ ИОМОВ, включающий введение и;и)низу(Л10го всщестпа ч плазму и отбор миогозарялпь1Х ионов электрическим полем, отличающийся тем. что, с 1ельк) повышения .имтенсипности и зарядностигпчка ионов, 1 О1 изуемое (кчцество вводят в тороидальн )1Й П1нур высокотемпературной плазмы легких -аз()в с петле ; на периферии, я отбор ионов производит с поверхности плазмен ого innypa петли. 2. Способ го п. I, отличающийся тем, что ионизуемое вещество вводят в плазму в таком количестве, при котором мощность, излучаемая ионизуемьп веп еством, не превышает мощности, подводимой к плазменному iHHypy. .fu г,сн Фи1.1

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧ ЕСНИ Х

РЕСПУБЛИН

„„Я0„„1О76982 заи t! 01 J -ч7 0(l опиодник изоьг ткния l

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3516009/18-25 (22) 25.1 !.82 (46) 28.02.84. Бюл. № 8 (72) P. А. Демирханов, Ю. Н. Днестровский, g. П. Костомаров, В. II. Сидоров, 8. Ф. Стрижов и Г. Л. Хорасанов (53) 628.385 (088.8) (56) I Кутнер В. Б. Источники высокозарядных и интенсивных пучков тяжелых ионов. Препринт ОИЯИ, Дубна, Р9 — -81 — 139, 198 1.

2. Авторское свидетельство СССР № 375708, кл. Н 01 J 37/04, 1973 (прототип). (54) (57) !. СПОСОБ 110.1!У11Г11ИЛ М11ОГОЗАРЯД!!ЫХ 11011ОВ, включак)!ций введение изонизуем ого вещества (плазму

H oT6()P многоз:.1О()дн1 !х floffoB 3г(ектРичесKHM полем, ог«!ича)ои(ий(я теM ITo, с цельк) повышения интенсивности и зарядности пу IKB ионов, нонизуемое 1)ещество вводHT в тороидяльный IIIII),р высоко емцературной плазмы легких I BçoB с петлей на периферии, я отбор ионов производи! с поверхности плазменного II!BI«pB и(тли

2. Способ по fl. l, «гл((ч(1(ощийг» тем, (то ионцз\pMoE B(. н!еств() BB()дят в плазму и тако,f колич((T B(, flP fl котОРОм мо(цность, излучае 1ая иониз ((ым B(fö((TBoM, не иревы!пает,30(,)() 1()I!Iff()(ти, подводимой к плазменному ц!нуру. 1076982

30

1 Изобретение относится к источникам ионов и может быть использовано при разработке инжекторов многозарядных ионов ускорителей заряженных частиц.

Известны способы получения многозарядных ионов, включающие зажигание разряда в паро- или газообразной среде ионизируемого вещества.с последующим извлечением ионов из плазмы электрическим полем.

l1o типу разряда источники многозарядных ионов делятся на дуоплазмотроны, дуопигатроны, источники Пеннинга и др. (1).

В указанных источниках образование мно гозарядных ионов происходит путем ионизации электронным ударом средних и тяжелых атомов в газоразрядной плазме. Основными параметрами, определяющими возможности разных типов источников с точки зрения получения ионов высоких зарядностей, являются энергия электронов Т е, их концентрация и и время удержания ионов с данным зарядом в ионизационной камере Г .

В традиционных газоразрядных источниках типа Пеннига фактор ионизации и, Г не превосходит величины 10 — 10 см с, что

У не позволяет получить в них ионы с зарядностью z >10. Новые источники многозарядных ионов: лазерные, электронно-циклотронные, электронно-лучевые характеризуются высокой энергией электронов, но имеют относительно низкий фактор ионизации п, „

<10 ???? ?? ??, ?????? ?????????????????????? ?????????????????????? ???? ???????? ?????????????? ???????? ???????????????????? ???????????? 1<1 ???? ?????? ???????????????????? z>10.

25 водят с поверхности плазменного шнура. петли.

Ионизируемое вещество вводят в плазму в количестве, при котором излучаемая веществом мощность не превышает 30 /О мощности, подводимой к плазменному шнуру.

Предлагаемый способ реализуется с помощью устройства, содержащего ионизационную камеру с отбирающим ионы электродом и систеМу формирования пучка, причем ионизационная камера выполнена в виде тороидальной магнитной ловушки с дивектором, а отбирающий электрод помещен в камеру дивертора.

На фиг. 1 приведены стационарные радиальные профили концентрации; на фиг. 2— то же, потоков многозарядных ионов железа различной зарядности (от +10 до +17); на фиг. 3 — относительное зарядное распределение выходящих потоков ионов железа на радиусе д> афрагмы: токамака: р

= Г /ЕГ ; на фиг. 4 — изменение во вреz меня потока ионов железа различной зарядности при инжекции в плазменный шнур крупинки железа диаметром 50 мкм; на фиг. 5 — принципиальная схема источника многозарядных ионов.

Источник содержит ионизационную камеру 1 в виде тороидальной магнитной ловушки с магнитной системой 2, частично изображенной на чертеже, динертор 3, например, петлевой бандл-дивертор с магнитной системой 4. В конце дивертора установлен отбирающий электрод 5. Линиями 6

Наиболее близким к предлагаемому является способ получения многозарядных ионов, включающий введение ионизируемого вещества в плазму и отбор многозарядных ионов электрическим полем.

В известном способе электроны высокой энергии инжектируются в газоразрядную камеру с сильным продольным полем. Введенное вещество ионизуется этими электронами, а ионы отбираются электродом, установленном со стороны, противоположной инжекции пучка. Для получения ионов высокой зарядности используют пучки электронов с энергией несколько килоэлектрон-вольт и более. Благодаря сильному магнитному полю (используются сверхпроводящие катушки) и отбору холодных электронов удается добиться высокой степени зарядности ири низкой интенсивности пучка ионов (2(.

Цель изобретения — повышение интенсивности и зарядности пучка ионов.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу получения многозарядных ионов, включающем введение ионизируемого вещества в плазму и отбор многозарядных ионов электрическим полем, ионизируемое вещество вводят в тороидальный шнур высокотемпературной плазмы легких газов с петлей на периферии, а отбор ионов произпоказан ход силовых линий магнитного поля на периферии плазменного шнура (не обозначен), образующих петлю шнура в диверторе.

Способ образом.

Известным путем в тороидальиой ловушке образуют шнур высокотемпературной (T,-1 кэВ) плазмы легких газов, в которую вводят ионизируемое вещество. Эксперименты на тороидальных установках показывают, что многозарядные ионы, которые осугцествляют следующим образуются в плазме в течение разряда, не накапливаются в центре шнура, а диффундируют наружу и достигают границы плазмы раньше, чем полностью рекомбинируют.

Введение ион изируемого вещества в плазмуу можно осуществить разными способами: нанося его на диафрагму, распыляя крупинки в разрядной камере вне объема плазмы или вводя их внутрь шнура.

Если для источника ионов выбрать токамак средних масштабов с параметрами а=.10см, К=50см,В,=30 кГс, g=>(1) где а и R — малый и большой радиусы тора;

B — тороидальное магнитное поле;

<оэффициент запаса устойчивости, то вре я жизни ионов в объеме плазмы, оцененое по известным скейлингам, оказывается

1076982

45

55 пор)чдка 1р — †) †-5 мс .,„. средней плотности плазмы п = 2 10 — 1 10 cM . Этс позволяет получить значение фактора ионизации на уровне n < — — 1 10 — 5 10" см .с

Скейлинг для электронной температуры в центре плазменного шнура токамака с параметрами (1) приводит к значению

Te(0) - 0,5 кэВ. При такой температуре и высоком факторе ионизации примесь железа ионизуется до состояния к Ы8, а примесь молибдена и вольфрама до состояний с

z =25 и z =30 соответственно.

Допустимый уровень концентрации примесей в экспериментах на установках токамак определяется условиями энергобаланса в центральной части плазменного шнура.

Мощность потерь на излучение ионизируемого вещества не должен превышать определенной доли (ЗОО/,) вкладываемой мощности. При большей доле мощности излучения преимущество ввода ионизируемого вещества в плазму легких газов пропадает в связи с ее резким охлаждением. В токамаке с параметрами (1) вкладываемая при омическом нагреве удельная мощность составляет величину -! Вт см . Следовательно, в таких установках удельная мощность радиационных потерь не должна превышать

-0,3 Вт см во избежание переохлажления плазмы. Тогда допустимую концентрацию вещества находит из соотношения

@paw = Spay n > — удельная мощность радиационных потерь; п — концентрация электронов;

n — концентрация примесей в плазме;

Бранд — скорость излучения энергии (Вт см ). В частности, для железа при

Те =0,5 кэВ Sp«g = 5 10 Вт.см . Подставляя это значение Эрла в соотношение (2), для плазмы с концентрацией электронов п р = 5 10 з см получим допустимую концентрацию железа и,, = l0 см .

Отметим, что в токамаке Т -10 в режиме омического нагрева регистрируется предельная концентрация железа в плазме п, =1 10" см, при превышении которой наблюдается охлаждение плазмы в центре шнура. В экспериментах на этой же установке измерены скорости поперечной диффузии многозарядных ионов Ar+ ", которые оказались на уровне Ч = (4 — 5) -10 см с <.

Эти данные позволяют оценить величину удельного потока многозаряднь<х ионов железа на стенку камеры: Гр, = 5 10" см с .

Применение наряду с омическим дополнительных методов нагрева (инжекция нейтралов высокой энергии, ВЧ-нагрева) позволит повысить допустимую концентрацию примесей и увеличить выходящий поток многозарядных ионов.

Для более точной оценки интенсивности и зарядового состава выходящего потока проведено решение системы уравнений диффузий примесей в токамаке.

Расчеты проволятся лля установки < параметрами (1) при радиусе лиафрагмы а, = 8 см, Те(0) = (),5 кэВ и n(0) =- 5 X

X 10" см з. На фиг. 1 и 2 привел«ны стационарные ралиа.чьные профили кони«птрации и потоков многозарядных ионов железа.

Их источником служит поток атомов железа, поступающий со стенки 03 границу плазмы. На фиг. 3 показано парциальное зарядовое распределение выходящих потоков ионов железа на радиусе диафрагмы: Р, = Г / Г . Видно, что на долю ионов с зарялностью Z >10 прихолится около 25"/о полного потока. При повышении Те(0) ло 0,7 кэВ эта доля возраста«т до 30o/о.

Если источник железа поместить внутрь шнура, то доля высокоионизованных ионов в выхолящем потоке увеличивается. На фиг. 4 показаны временные зависимости выхолящих на ралиусе диафрагмы потоков ионов железа при инжекции малой крупинки железа (лиаметр крупинки — 50 мк) в центральную часть плазменного шнура при

Те(0) = 0,7 кэВ. Время отсчитывается от момента инжекции крупинки. В случае внутреннего источника ионизируемого вещества до 8ОО/р ионов железа выходит с зарялностью Z> IO.

Для вывода примесных ионов с поверхности плазменного шнура тороидальная магнитная ловушка дополняется известным устройством — магнитным Ливертором. Дивертор выполняет две функции: он собирает поток плазмы и примесных ионов во всей поверхности плазменного шнура и отволит поток плазмы за прелелы тороилальной камеры, в область существенно меныпего магнитного поля (В 1О кГс). Диверторный объем, заполненный плазмой и расположенный за пределами тороидальной ловушки, является эмиттером многозарядных ионов, которые извлекаются, формируются известным, применяемым B<) всех плазменных источниках, способом — с помощью отбирающих и фокусирующих электролов, сепаратора, линз и да.чее по ионопроводу лоставляются в ускоритель тяжелых ионов. В токамаке с параметрами (1) ток ионов железа с

Z = 10 — 16, поступа<оший в дивертор, может достигать величины I, = l Sze

=1 А.

Использование изобретения позволит почучить высокоэнергичныс интенсивные пучки многозарядных ионов при существенно меньших габаритах ускорит<лей тяжелых ионов. что даст экономию пр«решении ряда научных и прикладных за <ач, в числе которых: синтез трансурановых лементов, изготовление прецизионных ял«рных фильтров, ионная радиография и ралиот«рапия.

1076982

1076982

Фиг.5

Составитель В. Обухов

Техред И. Верес Коррт ь Р l I!овт

Тираж 683 I1Î !пиi н(ВНИИПИ Государственного комитета С(.СР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., л 4 ">

Филиал ПП П а Патент>. г. Ужгород, ул. Г1 рог к т пни

Редактор А. Власенко

Заказ 394Я9