Генерация пучков ионов с большой фазовой плотностью тока для ускорителей заряженных частиц

• Автор: Турчин, Владимир Иванович
• Шифр специальности: 01.04.20
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 110 с. : ил.

Глава 1. Генерация пучков ионов с большой фазовой плотностью тока и
малой величиной фазового объёма
1.1. Современное состояние методов генерации источниками ионов сильноточных пучков с малым фазовым объёмом
1.2. Физические принципы увеличения фазовой плотности тока пучка
на выходе источников ионов с электрическим разрядом
1.3. Плазменный эмиттер для генерации сильноточных пучков ионов с большой фазовой плотностью тока и малым фазовым объёмом
Глава 2. Уменьшение потока неионизированного газа на выходе генератора заряженных частиц
2.1. Регулировка потока газа в канале эмиссии анода
2.2. Применение безнакальных катодов для уменьшения потока газа в режимах генерации импульсных и непрерывных пучков ионов
Глава 3. Разработка источника ионов плазматронного типа с мультипольным
магнитным полем
3.1 Физические принципы генератора ионов
3.2. Устройство и работа источника ионов
3.3. Особенности конструкции МП-дуоплазматрона, параметры плазмы
и характеристики пучков, генерируемых источником
3.4. Получение ионов металлов в источнике с мультипольным магнитным полем
3.5. Источник с мультипольным магнитным полем в многолучевом ускорителе ионов
Глава 4. Другие способы увеличения фазовой плотности тока пушка на
выходе источников заряженных частиц
Заключение
Литература
Приложение
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 высокого 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 фазопеременной 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 фазопеременной 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+2 и Хе+3 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 эмитганса.
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 эмитганса [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-

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.
При получении непрерывного пучка ионов водорода в дуоплазматроне сравнивалась работа аксиально-симметричного двухцилиндрового и многоцилиндрового катодов. В катоде, имевшем конструкцию, аналогичную показанной на рисунке 7, было установлено 13 цилиндров из молибдена. Его применение в генераторе заряженных частиц позволило уменьшить поток газа на выходе дуоплазматрона Рис. 7. Многоцилиндровый катод