научная статья по теме МОДЕРНИЗАЦИЯ ИНЖЕКТОРА МНОГОЛУЧЕВОГО УСКОРИТЕЛЯ ПРОТОНОВ Физика

Текст научной статьи на тему «МОДЕРНИЗАЦИЯ ИНЖЕКТОРА МНОГОЛУЧЕВОГО УСКОРИТЕЛЯ ПРОТОНОВ»

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2009, № 4, с. 29-41

_ ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО _

- ЭКСПЕРИМЕНТА -

УДК 539.125.4.03+621.3.038

МОДЕРНИЗАЦИЯ ИНЖЕКТОРА МНОГОЛУЧЕВОГО УСКОРИТЕЛЯ

ПРОТОНОВ

© 2009 г. Б. К. Кондратьев, А. В. Турчин, В. И. Турчин

ГНЦ РФ "Институт теоретической и экспериментальной физики" им. А.И. Алиханова Россия, 117218, Москва, ул. Б.Черемушкинская, 25 Поступила в редакцию 11.12.2008 г.

В рамках программы по разработке сильноточных ускорителей заряженных частиц с высоким темпом ускорения представлен инжектор для 19-лучевого ускорителя протонов с многопучковым режимом инжекции ионов. В инжекторе установлена ионная пушка с источником ионов Н2 дуоплаз-матронного типа и многоапертурной ионно-оптической системой, регулирующей угол наклона огибающей трубок тока ионного пучка на входах соответствующих им каналов ускоряющей структуры. В источнике ионов с безнакальным катодом применена система транспортировки плазмы от катода до выходной апертуры источника в магнитных полях сложной конфигурации, позволившая в импульсном режиме работы устойчиво генерировать пучки протонов с амплитудой тока до 3 А при величине рабочего давления газа в разрядной камере 0.2 Торр и уменьшить поток вытекающего из источника неионизированного газа до 2 см3/ч. Показано, что разработанные источник ионов и ионно-оптическая система позволяют увеличить фазовую плотность тока пучков на входе каналов ускоряющей структуры и изменять их углы расхождения.

РДСБ: 29.25.Lg, 51.50.+У

ВВЕДЕНИЕ

В линейных резонансных ускорителях ионов используется метод фазопеременной фокусировки, характеризующийся высоким темпом ускорения заряженных частиц [1]. Однако нарастание фазового объема ускоряемого пучка, зависящее от геометрических параметров ускоряющего канала, приводит к уменьшению величины ионного тока, ускоренного в этом канале. В работе [1] показано, что, если, не изменяя геометрии трубок дрейфа ускоряющей структуры, увеличить в них число ускоряющих каналов в т раз и затем свести все трубки тока в один пучок, можно получить увеличение тока ионов на выходе многоканаль-

ного ускорителя

т

1/2

раз. Многоканальные

также от параметров ионного пучка, инжектируемого в ускоряющую структуру:

1рг = 0.5/Уь (1)

где Ук - пропускная способность ускоряющего канала; 3 - фазовая плотность тока пучка, определяемая как отношение тока пучка к его фазовому объему Уп, который может быть вычислен по формуле [3]

Уп

= Шс I Шйр>

(2)

ускоряющие структуры, обладающие большой суммарной площадью апертур ускоряющих каналов, способны захватывать в режим ускорения пучки ионов большого диаметра. Такие ускорители, с малой длиной ускоряющих каналов и высоким темпом ускорения, могут оказаться перспективными при ускорении широкоугольных пучков с большим током ионов, в том числе и тяжелых, генерируемых, например, лазерными источниками ионов.

Согласно теории линейных резонансных ускорителей [2], величина предельного тока 1рг, который можно ускорить в ускоряющем канале, зависит от параметров ускоряющего электрического поля и технических характеристик ускорителя, а

где Я - поперечный размер пучка, М - масса иона в пучке, р - импульс движения частицы, с - скорость света в вакууме.

Пропускную способность ускоряющего канала можно рассчитать по формуле [3]

V г

Ук = ру

(3)

Здесь в = v/c - приведенная скорость заряженной

частицы; у = 1/71 - р2 - Лоренц-фактор; V - скорость частицы; V - мгновенная частота поперечных колебаний ионов пучка; Ь - длина ускоряющего канала; г - радиус этого канала.

Из уравнений (1)-(3) следует, что для увеличения предельного тока ускоряемого ионного пучка необходимо увеличивать ток этого пучка и уменьшать его фазовый объем на входе ускоряющего канала. В работе [3] показано, что объем-

ныи заряд ионного пучка приводит к искажению ускоряющего электрического поля между трубками дреИфа, увеличению фазового объема и расплыванию пучка в ускоряющем канале. В работе показано также, что увеличение фазовоИ плотности тока пучка на входе ускоряющего канала повышает кулоновскиИ предел ускоряемого в нем тока и величину тока, ускоряемого в ускорителе. Поскольку увеличение фазового объема дреИфующего в пролетном пространстве инжектора пучка ионов является следствием как столкновении с молекулами остаточного газа, так и деИствия нелинеИных кулоновских полеИ самого пучка, то чем меньше время дреИфа пучка, тем слабее увеличение его фазового объема [4].

Эксперименты по ускорению пучка протонов в многоапертурном ускорителе с 19-канальноИ ускоряющеИ структуроИ показали, что увеличение фазовоИ плотности тока протонного пучка с 0.7 до 1.5 А/(см ■ мрад) и уменьшение его фазового объема на выходе источника ионов (и.и.) в 3.5 раза, полученные в результате понижения температуры плазмы в и.и., привели к адекватному увеличению ускоренного тока пучка протонов [5]. Однако дальнеИшее увеличение фазовоИ плотности тока и уменьшение эмиттансов пучков заряженных частиц, инжектируемых источниками ионов газов таким способом, является научно-техническоИ задачеИ с резко возрастающеИ сложностью.

АКТУАЛЬНОСТЬ УМЕНЬШЕНИЯ ПОТОКА РАБОЧЕГО ГАЗА НА ВЫХОДЕ ИСТОЧНИКА ИОНОВ

В технике инжекторов линеИных резонансных ускорителеИ ионов известны факторы, приводящие к уменьшению фазовоИ плотности тока пучка на входе ускоряющеИ структуры. Они связаны с нарастанием фазового объема пучка и потереИ его ионов в результате их рассеяния и перезарядки на остаточном газе как в зоне ионно-оптиче-скоИ системы (и.о.с.), так и в области дреИфа пучка между ионноИ пушкоИ и ускоряющеИ структуроИ. С расхождением пучка под деИствием собственного объемного заряда связано и уменьшение тока ионов, попадающих в ускоряющиИ канал. От решения перечисленных проблем зависит величина тока ионных пучков, ускоряемых в линеИных резонансных ускорителях.

Негативное влияние расхождения траекториИ ионов пучка на плотность его тока, обусловленное кулоновским полем самого пучка, можно компенсировать, сократив время пролета инжектора пучком.

Расхождение ионного пучка, обусловленное столкновениями его ионов с молекулами остаточного газа в зоне формирования и ускорения пуч-

ка, с учетом полного угла рассеяния ф ионов этого пучка можно оценить по формуле [6]

ф 180 •

180

(4)

Здесь Ис1 - число столкновениИ иона пучка на длине ускоряющего пролета Ьрг, которое можно определить из уравнения

Ысг = NgV <5(1рГ, (5)

где Ng - плотность молекул остаточного газа на траектории движения пучка для заданного потока газа; грг - время пролета ионом пучка расстояния Ьрг; а, - сечение взаимодеИствия иона пучка с молекулами газа; %п - угол отклонения иона от начальноИ траектории при однократном взаимо-деИствии, которыИ рассчитывается, согласно теории столкновениИ иона с молекулоИ неИтрально-го газа, по формуле [6]

Хп

2ае

2 4 *

т' V р;

(6)

Параметр соударения р¡ иона с поляризован-ноИ молекулоИ, при котором ион испытает сильное отклонение (>90°), можно рассчитать, пользуясь соотношением [6]

а ге

2 р4

2

т V

(7)

где а - поляризуемость молекулы остаточного газа; т - приведенная масса молекулы этого газа и налетающего иона; е - заряд электрона; ге - зарядовое состояние иона.

Сечение взаимодеИствия иона пучка с молекулоИ водорода вычисляется, согласно [6], по формуле

а, = (3ао + рр) п,

(8)

где а0 = 0.529 ■ 10 8 см - боровскиИ радиус орбиты электрона в атоме водорода. Величину рр = = (аГп)1/2, соответствующую усредненному параметру соударения иона с молекулоИ газа, при котором он также отклонится на большие углы, но меньшие 90°, вычислим, рассчитав а,г по следую-щеИ формуле [6]:

а,.

= 2^2 пао ^(а/ а0) 1к/ W¡,

(9)

где 4 - потенциал ионизации атома водорода; W¡ - кинетическая энергия иона пучка.

Расчеты рассеяния ионного пучка в результате столкновениИ ионов с неИтральными молекулами остаточного газа в и.о.с., проведенные с использованием выражениИ (4)-(9), показывают, что по-

N

с,

п

нижение на порядок потока балластного газа, вытекающего из источника, позволяет уменьшить угол расхождения пучка на выходе и.о.с. на 15%. Уменьшение разброса поперечных скоростей ионов в пучке способствует увеличению плотности его зарядов и увеличению фазовой плотности тока пучка.

Потеря быстрых ионов пучка в результате их перезарядки на остаточном газе как в и.о.с., так и в зоне его дрейфа между ионной пушкой и ускоряющей структурой приводит к уменьшению фазовой плотности тока пучка. Согласно [6], ток ионного пучка после зоны дрейфа на входе ускоряющего канала с учетом токовых потерь, вызванных перезарядкой ионов пучка на молекулах неионизированного газа в инжекторе, можно рассчитать по формуле

Ipk = Ip (1- Nipr).

(10)

Nlpr У pr^p

(11)

где ург - частота перезарядок ионов пучка на остаточном газе, равная

Y pr = Ng v с p

(12)

22(100Vo

с per = па0—In

J per

v

(13)

Ppr = NgkT,

умной техники [7]. Значение Ррг определим, пользуясь формулой из этой работы:

Q =

PprS n uk Sn + uk

(15)

где Q - поток газа, перетекающего из ионной пушки в ускоритель; 8п - скорость откачки объема ускорителя; ик - пропускная способность канала откачки вакуумной станции, определяемая выражением [7]

uk = 281

T d4„ P1 + P2

MLn Х1

(16)

Здесь Ip - ток пучка на выходе источника ионов; Nlpr - количество перезарядок ионов пучка на длине пролета от границы плазмы до ускоряющей структуры, определяемое, согласно [6], как

Здесь М - молекулярная масса газа; йп - диаметр канала эмиссии в аноде источника; Ьп - длина этого канала; - средняя длина свободного пути молекулы в газе.

Величина потока Q газа, вытекающего из и.и., рассчитывается с учетом давления газа Р1 в источнике и предельного давления Р2, достижимого для данного ускорителя в объеме за его ионной пушкой [7]:

Q = uk (P1- P2).

(17)

Здесь арег - сечение резонансной перезарядки иона пучка, определяемое, согласно [6], как

где ¡8 - потенциал ионизации остаточного газа; V0 = 2.19 ■ 108 см/с - скорость электрона на первой боровской орбите в атоме водорода.

Расчет плотности балластного газа, вытекающего из ионной пушки, проводится с учетом давления рабочего газа в источнике ионов и характерных особенностей его конструкц

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком