RU208650U1 - MULTI-APERTURE CLUSTER ION ACCELERATOR - Google Patents
MULTI-APERTURE CLUSTER ION ACCELERATOR Download PDFInfo
- Publication number
- RU208650U1 RU208650U1 RU2021119288U RU2021119288U RU208650U1 RU 208650 U1 RU208650 U1 RU 208650U1 RU 2021119288 U RU2021119288 U RU 2021119288U RU 2021119288 U RU2021119288 U RU 2021119288U RU 208650 U1 RU208650 U1 RU 208650U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- aperture
- accelerating
- drift tubes
- cluster
- injector
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J3/00—Details of electron-optical or ion-optical arrangements or of ion traps common to two or more basic types of discharge tubes or lamps
- H01J3/04—Ion guns
Abstract
Полезная модель относится к ускорителям ионов и может быть использована для ускорения кластерных ионов в ядерной энергетике, при решении проблем управляемого термоядерного синтеза и в технологиях ионной имплантации. Многоапертурный ускоритель кластерных ионов позволяет ускорять сложные атомно-ионные образования, имеющие малое отношение заряда к массе с использованием электрического поля, в том числе и низкочастотного диапазона ВЧ электромагнитных волн. Увеличение интенсивности заряженных частиц в ускоренном пучке данного ускорителя связано с возможностью одновременной экстракции кластерных ионов из плазмы нескольких ионных источников. Оригинальность предложенного технического решения в том, что площади входных апертур трубок дрейфа отдельных каналов, многоканального инжектора, через которые осуществляется экстракция кластерных ионов из соответствующих генераторов плазмы, превосходят площади апертур на их выходах. Это позволяет обеспечивать отбор заряженных частиц для ускорения по каждому отдельному каналу в многоканальной ускоряющей ВЧ системе от плазменной поверхности, площадь которой превосходит соответствующий размер канала в самой ускоряющей ВЧ системе. Примененный в многоапертурном инжекторе способ электростатической фокусировки с помощью электростатических сеток в ускоряющих зазорах между смежными трубками дрейфа, площадь апертур которых синхронно уменьшается к выходу данного инжектора, обеспечивает усиленную наличием сетки фокусировку и радиальную компрессию пучка. Радиальная компрессия, в совокупности с общей направленностью электрического поля в отдельных каналах, позволяет одновременно экстрагировать кластерные ионы из плазмы нескольких источников и уменьшает их потери при транспортировке и при вводе в каналы ускоряющей ВЧ системы. Предложенная конструкция полезной модели обеспечивает повышение интенсивности потока ускоренных кластерных ионов в ускорителе, уменьшает их потери и расширяет возможности ускорения для кластерных ионов с различными значениями атомной массы. 2 рис.The utility model relates to ion accelerators and can be used to accelerate cluster ions in nuclear power engineering, in solving problems of controlled thermonuclear fusion and in ion implantation technologies. A multi-aperture cluster ion accelerator makes it possible to accelerate complex atomic-ion formations with a low charge-to-mass ratio using an electric field, including the low-frequency range of HF electromagnetic waves. The increase in the intensity of charged particles in the accelerated beam of this accelerator is associated with the possibility of simultaneous extraction of cluster ions from the plasma of several ion sources. The originality of the proposed technical solution lies in the fact that the area of the input apertures of the drift tubes of individual channels, the multichannel injector, through which the extraction of cluster ions from the corresponding plasma generators is carried out, exceeds the area of the apertures at their outputs. This makes it possible to ensure the selection of charged particles for acceleration through each individual channel in a multichannel accelerating RF system from a plasma surface whose area exceeds the corresponding channel size in the accelerating RF system itself. The method of electrostatic focusing applied in a multi-aperture injector using electrostatic grids in accelerating gaps between adjacent drift tubes, the aperture area of which decreases synchronously towards the exit of this injector, provides grid-enhanced focusing and radial beam compression. Radial compression, in combination with the general direction of the electric field in individual channels, makes it possible to simultaneously extract cluster ions from the plasma of several sources and reduce their losses during transportation and when introduced into the channels of the accelerating RF system. The proposed design of the utility model provides an increase in the intensity of the stream of accelerated cluster ions in the accelerator, reduces their losses and expands the possibilities of acceleration for cluster ions with different atomic masses. 2 fig.
Description
Полезная модель относится к ускорителям ионов и может быть использована для ускорения кластерных ионов в ядерной энергетике, при решении проблем управляемого термоядерного синтеза и в технологиях ионной имплантации.The utility model relates to ion accelerators and can be used to accelerate cluster ions in nuclear power engineering, in solving problems of controlled thermonuclear fusion and in ion implantation technologies.
Предложенное решение относится к многоапертурному ускорителю кластерных ионов, позволяющему ускорять сложные атомно-ионные образования, имеющие малое отношение заряда к массе с использованием электрического поля, в том числе, и низкочастотного диапазона ВЧ электромагнитных волн. Увеличение интенсивности заряженных частиц в ускоренном пучке данного ускорителя связано с возможностью одновременной экстракции кластерных ионов из плазмы нескольких ионных источников.The proposed solution relates to a multi-aperture cluster ion accelerator, which makes it possible to accelerate complex atomic-ion formations having a low charge-to-mass ratio using an electric field, including the low-frequency range of HF electromagnetic waves. The increase in the intensity of charged particles in the accelerated beam of this accelerator is associated with the possibility of simultaneous extraction of cluster ions from the plasma of several ion sources.
Известны различные типы ускорителей для ускорения тяжелых ионов с большим атомным номером. В большинстве таких ускорителей используются ускоряющие высокочастотные (ВЧ) системы с электромагнитными волнами стоячего типа, образующимися в высокочастотных (ВЧ) резонаторах (И.М. Капчинский. Теория линейных резонансных ускорителей. Москва, Энергоиздат 1982, с. 28-144).Various types of accelerators are known for accelerating heavy ions with a large atomic number. Most of these accelerators use accelerating high-frequency (HF) systems with standing electromagnetic waves generated in high-frequency (HF) resonators (I.M. Kapchinsky. Theory of linear resonant accelerators. Moscow, Energoizdat 1982, pp. 28-144).
Актуальной проблемой является создание ускорителей для ускорения сверхтяжелых ионов с большим содержанием атомов в ансамбле - кластерных ионов. Кластерный ион или кластер представляет собой ансамбль частиц, состоящий из атомов вещества и содержащий от десятков до многих тысяч атомов, и, как правило, одного или нескольких ионов этого вещества.An urgent problem is the creation of accelerators for accelerating superheavy ions with a large number of atoms in the ensemble - cluster ions. A cluster ion or cluster is an ensemble of particles consisting of atoms of a substance and containing from tens to many thousands of atoms, and, as a rule, one or more ions of this substance.
Известно, что при ускорении в одноапертурных ускорителях кластерных ионов с концентрацией атомов более 103 частиц в кластере, происходит их разрушение, вызванное взаимными столкновениями в ускоряющем канале (А.С. Кингсепп, В.В. Окороков, И.В. Чувило. О возможности кластерного УТС. ЖТФ, 1990, Том 2. в. 10, С. 60-63).It is known that when cluster ions with an atomic concentration of more than 10 3 particles in a cluster are accelerated in single-aperture accelerators, their destruction occurs due to mutual collisions in the accelerating channel (A.S. Cluster TTS, ZhTF, 1990, Vol. 2, v. 10, pp. 60-63).
Для уменьшения разрушения кластерных ионов из-за взаимных столкновениях в ускоряющем канале, перспективным является их одновременное ускорение в нескольких каналах (Аверьянов Г.П., Дмитриева В.В., Плотников С.В., Турчин В.И. Высокочастотные ускоряющие системы для кластерных ионов изотопов водорода НИЯУ МИФИ. 2я международная конференция. «Плазменные, лазерные исследования и технологии» 25-27 января 2016, Сборник научных трудов, 2016, Москва, стр. 154).To reduce the destruction of cluster ions due to mutual collisions in the accelerating channel, their simultaneous acceleration in several channels is promising (Averyanov G.P., Dmitrieva V.V., Plotnikov S.V., Turchin V.I. High-frequency accelerating systems for cluster ions of hydrogen isotopes National Research Nuclear University MEPhI, 2nd international conference "Plasma, laser research and technology" January 25-27, 2016, Collection of scientific papers, 2016, Moscow, p. 154).
Известны проблемы, ограничивающие применение ускорителей такого типа при ускорении кластерный ионов, а именно, ряд физических эффектов, ограничивающих диаметр апертуры в ускоряющих ВЧ системах, использующих ВЧ волны стоячего типа (И.М. Капчинский. Динамика частиц в линейных резонансных ускорителях. Москва, Атомиздат. 1966, 310 с.). Другая проблема в источниках кластерных ионов (ИИ), затрудняющая их использование в ускорительных технологиях, состоит в генерации плазмы с малым содержанием кластерных ионов (Б.М. Смирнов, "Процессы в кластерной плазме и кластерных пучках", Письма в ЖЭТФ, 1998, 68, 741-746).There are known problems that limit the use of accelerators of this type in the acceleration of cluster ions, namely, a number of physical effects that limit the aperture diameter in accelerating RF systems using RF standing waves (I.M. Kapchinsky. Particle dynamics in linear resonant accelerators. Moscow, Atomizdat 1966, 310 pp.). Another problem in cluster ion sources (SI), which hinders their use in accelerator technologies, is the generation of plasma with a low content of cluster ions (B.M. Smirnov, "Processes in Cluster Plasma and Cluster Beams", JETP Letters, 1998, 68 , 741-746).
Наличие подобных ограничений является препятствием для увеличения тока ускоренного пучка в многоканальных ускорителях кластерных ионов. Кроме того, создание ускорителей кластерных ионов затруднено рядом технологических сложностей. Так, одной из них является возбуждение колебаний электромагнитных волн стоячего типа с большой длиной волны в резонансных ВЧ ускоряющих системах. Применение ВЧ электромагнитных волн стоячего типа с большой длиной волны приводит к чрезмерному увеличению габаритов ВЧ резонаторов в таких ускоряющих системах (Кушин. В.В., Громов Е.В., Плотников С.В. Ускоряющая структура. А.С. №856370. 14.04.1981).The presence of such limitations is an obstacle to increasing the accelerated beam current in multichannel cluster ion accelerators. In addition, the creation of cluster ion accelerators is hampered by a number of technological difficulties. Thus, one of them is the excitation of oscillations of standing electromagnetic waves with a large wavelength in resonant HF accelerating systems. The use of high-frequency electromagnetic waves of a standing type with a long wavelength leads to an excessive increase in the dimensions of high-frequency resonators in such accelerating systems (Kushin. V.V., Gromov E.V., Plotnikov S.V. Accelerating structure. A.S. No. 856370. 04/14/1981).
Перечисленные выше причины затрудняют создание ускорителей для ускорения кластерных ионов.The reasons listed above make it difficult to create accelerators for accelerating cluster ions.
Известен многоапертурный ускоритель ионов в ВЧ резонаторе ускоряющей системы которого используются электромагнитные волны стоячего типа (Б.К. Кондратьев, А.В. Турчин, В.И. Турчин, Модернизация инжектора многолучевого ускорителя протонов. ПТЭ, 2009, №4, с. 29-41). Многоапертурный согласующий канал данного ускорителя содержит несколько обечаек, в которых выполнены соосно расположенные апертуры одинакового диаметра и на обечайки подается электрическое напряжение с различной величиной электрических потенциалов. Недостаток данного устройства состоит в слабой фокусировке ионов в зазорах между обечайками, а также в том, что поперечные размеры апертур его согласующего канала не Превышают диаметры апертур в трубках дрейфа ускоряющей ВЧ системы, что уменьшает площадь отбора ионов из плазмы в режим ускорения и величину тока в ускоренном пучке ионов.A multi-aperture ion accelerator is known in the RF resonator of the accelerating system of which standing electromagnetic waves are used (B.K. Kondratiev, A.V. Turchin, V.I. Turchin, Modernization of the injector of a multibeam proton accelerator. PTE, 2009, No. 4, p. 29 -41). The multi-aperture matching channel of this accelerator contains several shells, in which coaxially arranged apertures of the same diameter are made and electric voltage with different electric potentials is applied to the shells. The disadvantage of this device is the weak focusing of ions in the gaps between the shells, as well as the fact that the transverse dimensions of the apertures of its matching channel do not exceed the diameters of the apertures in the drift tubes of the accelerating RF system, which reduces the area of ion extraction from the plasma into the acceleration mode and the current in accelerated ion beam.
Известен ускоритель кластерных ионов изотопов водорода с одноапертурной (одноканальной) ускоряющей ВЧ системой типа RFQ, в ВЧ резонаторе которой используются электромагнитные волны стоячего типа (M.J. Caillard, A. Schempp, Н.О. Moser et. al., First high-energy hydrogen cluster beams. 6th International Symposium on Small Particles and Inorganic Cluster ISSPC 6, Chicago, September 15-22, 1992). Его недостатки состоят в малом токе пучка кластерных ионов на выходе ускорителя и малой длине волны ВЧ ускоряющего электромагнитного поля, не позволяющей ускорять кластерные ионы с содержанием более 102 атомов в кластере.Known accelerator of cluster ions of hydrogen isotopes with a single-aperture (single-channel) accelerating RF system of the RFQ type, in the RF resonator of which electromagnetic standing waves are used (MJ Caillard, A. Schempp, N. O. Moser et. al., First high-energy hydrogen cluster beams. 6 th International Symposium on Small Particles and Inorganic Cluster ISSPC 6, Chicago, September 15-22, 1992). Its shortcomings are the low current of the cluster ion beam at the output of the accelerator and the short wavelength of the HF accelerating electromagnetic field, which does not allow accelerating cluster ions containing more than 10 2 atoms in the cluster.
Известна ускоряющая ВЧ система для ускорителей кластерных ионов (C.V. Plotnikov, V.I. Turchin. Features of acceleration and focusing of cluster ion beam in resonant linac structures, Proceedings of RuP AC, 2018, Protvino, Russia. WEPSB11, ISBN 978-3-95450-197-7, P. 304-307). Недостатком является малый ток ускоренного пучка кластерных ионов, из-за разрушения кластеров при взаимных столкновениях в ускоряющем канале, слабая фокусировка пучка и высокая частота ускоряющего электромагнитного поля волн стоячего типа в ВЧ резонаторе, не позволяющая ускорять кластеры с большой массой.An RF accelerating system for cluster ion accelerators is known (CV Plotnikov, VI Turchin. Features of acceleration and focusing of cluster ion beam in resonant linac structures, Proceedings of RuP AC, 2018, Protvino, Russia. WEPSB11, ISBN 978-3-95450-197 -7, P. 304-307). The disadvantage is the low current of the accelerated beam of cluster ions, due to the destruction of clusters during mutual collisions in the accelerating channel, weak focusing of the beam and the high frequency of the accelerating electromagnetic field of standing waves in the RF resonator, which does not allow accelerating clusters with a large mass.
В большинстве случаев конструкция ускорителей ионов включает в себя такие элементы как: ускоряющая ВЧ система, источник ионов и инжектор, обеспечивающий согласованный режим работы источника ионов с ускоряющей ВЧ системой.In most cases, the design of ion accelerators includes such elements as: an accelerating RF system, an ion source, and an injector that ensures a consistent operating mode of the ion source with the accelerating RF system.
Наиболее близким по техническому решению аналогом данной полезной модели, принятым за прототип, является многоапертурный инжектор ускорителя ионов с поперечным сведением пучков, который может быть использован в составе стандартной конструкции ускорителей ионов (Боголюбов Е.П., Бобылев В.Т., Кузнецов В.А. и др., Возможность повышения эффективности нейтронного генератора за счет использования многолучевой системы инжекции дейтронов, Сборник материалов межотраслевой научно-технической конференции. Москва, 2003, 26-30 мая 2003 г., с. 137-144). В данной конструкции, позволяющей инжектировать для ускорения ионы, отобранные из плазмы по нескольким каналам, позволяющим увеличить общую площадь поверхности эмиссии, установлены обечайки сферической формы, в которых выполнены соосные апертуры одинакового диаметра, сходящиеся к трубкам дрейфа ускоряющих каналов ВЧ системы ускорителя. Между обечайками создана разность электрических потенциалов.The closest analogue of this utility model in terms of technical solution, taken as a prototype, is a multi-aperture injector of an ion accelerator with transverse beam convergence, which can be used as part of a standard design of ion accelerators (Bogolyubov E.P., Bobylev V.T., Kuznetsov V. A. et al., The Possibility of Increasing the Efficiency of a Neutron Generator through the Use of a Multibeam Deuteron Injection System, Proceedings of the Interdisciplinary Scientific and Technical Conference, Moscow, 2003, May 26-30, 2003, pp. 137-144). In this design, which makes it possible to inject for acceleration ions taken from the plasma through several channels, which makes it possible to increase the total emission surface area, spherical shells are installed in which coaxial apertures of the same diameter are made, converging to the drift tubes of the accelerating channels of the accelerator RF system. A difference in electrical potentials is created between the shells.
Недостатки ближайшего аналога состоят в слабой фокусировке ионных пучков в пространстве между обечайками, а также в том, что площадь апертур согласующих каналов в области отбора ионов из плазмы не превышает площадь апертур ускоряющих каналов ВЧ системы ускорителя, что уменьшает величину ускоренного в нем тока ионных пучков и препятствует ускорению тяжелых малозарядных ионов.The disadvantages of the closest analogue are in the weak focusing of ion beams in the space between the shells, and also in the fact that the area of the apertures of the matching channels in the region of the selection of ions from the plasma does not exceed the area of the apertures of the accelerating channels of the RF system of the accelerator, which reduces the value of the ion beam current accelerated in it and prevents the acceleration of heavy low-charge ions.
Техническая проблема состоит в необходимости увеличения тока ионных пучков для эффективного ускорения тяжелых малозарядных ионов.The technical problem is the need to increase the current of ion beams for effective acceleration of heavy low-charge ions.
Технической задачей предложенной полезной модели является создание многоапертурного ускорителя кластерных ионов с увеличенным током ионных пучков.The technical task of the proposed utility model is to create a multi-aperture cluster ion accelerator with an increased current of ion beams.
При решении технической задачи было обеспечено достижение не только увеличения тока пучка кластерных ионов на выходе ускорителя, но также уменьшение потерь кластеров при их переходе в каналы ускоряющей ВЧ системы и расширение спектра масс ускоряемых в ускорителе кластерных ионов, что в совокупности составляет технический результат предложенной полезной модели.When solving the technical problem, it was achieved not only to increase the current of the cluster ion beam at the output of the accelerator, but also to reduce the losses of clusters during their transition to the channels of the accelerating RF system and to expand the mass spectrum of cluster ions accelerated in the accelerator, which together constitutes the technical result of the proposed utility model .
Достижение технического результата обеспечивается созданием многоапертурного ускорителя кластерных ионов с ВЧ электромагнитными волнами бегущего типа, состоящего из многоапертурного инжектора с обечайками, каждая из которых содержит несколько отверстий, соосных соответствующим отверстиям в соседних обечайках и сходящихся к центральной продольной оси многоапертурного инжектора, корпус которого и все его обечайки электрически изолированы друг от друга, при этом обечайки электрически соединены с отдельными источниками электропитания, причем диаметр отверстий в обечайках уменьшается по мере их приближения к выходу многоапертурного инжектора, и в эти отверстия установлены конусного вида полые металлические трубки дрейфа с металлическими сетками во входных апертурах, где диаметр каждой входной апертуры такой трубки дрейфа больше ее выходного диаметра в каждой обечайке, который, в свою очередь, равен входному диаметру трубки дрейфа в последующей обечайке, причем входные апертуры трубок дрейфа установленных на входе многоапертурного инжектора соединены, каждая - с соответствующим независимым источником кластерных ионов, а выходные апертуры трубок дрейфа установленных на выходе многоапертурного инжектора, по размерам и положению согласованы с соответствующими апертурами трубок дрейфа на входе многоканальной ускоряющей высокочастотной (ВЧ) системы, внутри которой соосно расположены параллельно ее продольной оси несколько потенциальных электродов с установленными в них многоапертурными трубками дрейфа, объединенными в единую конструкцию и соединенными тремя параллельными волноводами, выполненными в виде спирали из полого металлического профиля, внутренняя полость которого заполнена диэлектриком, с другими многоапертурными трубками дрейфа, установленными на продольной оси между потенциальными электродами на этих волноводах, один конец каждого из которых соединен с генератором ВЧ колебаний электромагнитных волн бегущего типа, а другой, с соответствующей согласующей нагрузкой, соединенной с корпусом, причем соседние потенциальные электроды смещены относительно друг друга вокруг продольной оси ускоряющей ВЧ системы на 120 градусов, а их волноводы смещены относительно волноводов соседних потенциальных электродов на 60 градусов.The achievement of the technical result is ensured by the creation of a multi-aperture cluster ion accelerator with high-frequency electromagnetic waves of the traveling type, consisting of a multi-aperture injector with shells, each of which contains several holes coaxial with the corresponding holes in adjacent shells and converging to the central longitudinal axis of the multi-aperture injector, the body of which and all of its the shells are electrically isolated from each other, while the shells are electrically connected to separate power supplies, and the diameter of the holes in the shells decreases as they approach the outlet of the multi-aperture injector, and cone-shaped hollow metal drift tubes with metal grids in the inlet apertures are installed in these holes, where the diameter of each inlet aperture of such a drift tube is greater than its outlet diameter in each shell, which, in turn, is equal to the inlet diameter of the drift tube in the subsequent shell, and the inlet apertures of the drift tubes installed at the input of the multi-aperture injector are connected, each with a corresponding independent source of cluster ions, and the output apertures of the drift tubes installed at the output of the multi-aperture injector are matched in size and position with the corresponding apertures of the drift tubes at the input of the multichannel accelerating high-frequency (HF) system, inside which several potential electrodes are located parallel to its longitudinal axis with multi-aperture drift tubes installed in them, combined into a single structure and connected by three parallel waveguides, made in the form of a spiral from a hollow metal profile, the inner cavity of which is filled with a dielectric, with other multi-aperture drift tubes installed on a longitudinal axis between the potential electrodes on these waveguides, one end of each of which is connected to a generator of high-frequency oscillations of electromagnetic waves of the traveling type, and the other, with a corresponding matching load, with united with the housing, and adjacent potential electrodes are displaced relative to each other around the longitudinal axis of the accelerating RF system by 120 degrees, and their waveguides are displaced relative to the waveguides of neighboring potential electrodes by 60 degrees.
Отличительные особенности многоапертурного ускорителя кластерных ионов от существующих многоканальных ускорителей ионов состоят в сочетании в его конструкции новых и известных технических решений, обладающих полезными свойствами, необходимыми для достижения заявленного технического результата, а именно:The distinctive features of the multi-aperture cluster ion accelerator from the existing multichannel ion accelerators consist in the combination in its design of new and well-known technical solutions that have useful properties necessary to achieve the claimed technical result, namely:
в использовании для одновременного ускорения в ВЧ ускоряющей системе нескольких пучков кластерных ионов электрического поля, создаваемого ВЧ электромагнитными волнами бегущего типа, характеризующихся возможностью их генерации в широком частотным диапазоне ВЧ колебаний, что обеспечивает возможность ускорения кластерных ионов с большим различием собственных масс;in the use for simultaneous acceleration in the HF accelerating system of several beams of cluster ions of the electric field created by HF electromagnetic waves of the traveling type, characterized by the possibility of their generation in a wide frequency range of HF oscillations, which makes it possible to accelerate cluster ions with a large difference in their own masses;
в уникальной конструкции инжектора кластерных ионов, согласованной по соответствующим параметрам инжекции кластерных ионов, экстрагированных из плазмы, с развитой поверхностью экстракции от нескольких ИИ, в соответствующие ускоряющие каналы многоканальной ВЧ системы, не имеющей ВЧ резонатора.in a unique design of the cluster ion injector, matched in terms of the relevant parameters of the injection of cluster ions extracted from the plasma, with a developed extraction surface from several IRs, into the corresponding accelerating channels of a multichannel RF system that does not have an RF resonator.
Необходимая динамика движения ионов в предложенном ускорителе достигается отказом от применения в нем ВЧ ускоряющей системы с ВЧ резонатором электромагнитных волн стоячего типа, затрудняющим (в силу своих массогабаритов) использование низкочастотного диапазона таких ВЧ волн, необходимого для ускорения кластеров с большой массой. Ускоряющие ВЧ системы с электромагнитными волнами бегущего типа не требуют применения ВЧ резонаторов и особенности распространения таких волн в среде позволяют регулировать в широком диапазоне скорость их движения по волноводам между трубками дрейфа, способствуя расширению возможности эффективного ускорения кластеров с разной величиной массы.The necessary dynamics of ion motion in the proposed accelerator is achieved by refusing to use an RF accelerating system in it with an RF resonator of standing electromagnetic waves, which makes it difficult (due to its weight and dimensions) to use the low-frequency range of such RF waves, which is necessary for accelerating clusters with a large mass. Accelerating HF systems with electromagnetic traveling waves do not require the use of HF resonators, and the features of the propagation of such waves in a medium make it possible to control the speed of their movement along the waveguides between the drift tubes in a wide range, contributing to the expansion of the possibility of effective acceleration of clusters with different masses.
Увеличение тока ионов в пучке на выходе ускорителя согласно предлагаемой полезной модели обеспечивается наличием многоканального (многоапертурного) инжектора разработанной конструкции, которая позволяет:An increase in the ion current in the beam at the output of the accelerator according to the proposed utility model is ensured by the presence of a multichannel (multi-aperture) injector of the developed design, which allows:
1) производить одновременный отбор кластерных ионов в режим ускорения с большой площади плазменной поверхности из плазмы нескольких источников кластерных ионов, с последующей эффективной радиальной фокусировкой их ионных пучков в каждом канале, а также1) perform simultaneous selection of cluster ions into the acceleration mode from a large area of the plasma surface from the plasma of several sources of cluster ions, followed by effective radial focusing of their ion beams in each channel, as well as
2) влиять на траектории движения и диаметры пучков кластерных ионов, для их согласованного ввода из каналов данного инжектора в соответствующие каналы ускоряющей ВЧ системы.2) influence the motion trajectories and diameters of cluster ion beams for their coordinated injection from the channels of a given injector into the corresponding channels of the accelerating RF system.
Для применения в предложенной конструкции ускорителя с целью обеспечения режима конечного ускорения кластеров до большой энергии выбрана многоканальная ускоряющая ВЧ система с синфазными электромагнитными волнами бегущего типа (см., например, Турчин. В.И. Плотников С.В., Многоапертурная ВЧ система для ускорения кластерных ионов, ПАТЕНТ РФ №192845, от 03.10.2019), позволяющая ускорять кластерные ионы, как с относительно малой (порядка 101-103 а.е.м. (а.е.м. - атомная единица массы)), так и с большой (более 104 а.е.м.) собственной массой.For application in the proposed design of the accelerator in order to ensure the mode of finite acceleration of clusters to high energy, a multichannel accelerating RF system with in-phase electromagnetic waves of the traveling type was chosen (see, for example, Turchin. V.I. Plotnikov S.V., Multi-aperture RF system for accelerating cluster ions, PATENT RF No. 192845, dated October 3, 2019), which allows accelerating cluster ions, both with a relatively small (about 101-103 a.m.u. (a.m.u. - atomic mass unit)), and with a large (more than 104 a.m.u.) own mass.
Используемая в конструкции предложенной полезной модели многоканальная ускоряющая ВЧ система состоит: из корпуса, внутри которого соосно расположены, параллельно его продольной оси, несколько потенциальных электродов с установленными в них многоапертурными трубками дрейфа, объединенные в единую конструкцию и соединенные тремя параллельными волноводами из полого металлического профиля с другими многоапертурными трубками дрейфа, установленными на продольной оси между потенциальными электродами на этих волноводах, один конец каждого из которых подсоединен к генератору высокочастотных колебаний, а другой, к соответствующей согласующей нагрузке, соединенной с корпусом, причем, соседние потенциальные электроды смещены относительно друг друга вокруг продольной оси данной системы на 120 градусов, а их волноводы смещены относительно волноводов соседних потенциальных электродов на 60 градусов отличающийся тем, что все волноводы выполнены в виде спирали, а их внутренние полости заполнены диэлектриком.The multichannel accelerating RF system used in the design of the proposed utility model consists of a housing, inside which are coaxially located, parallel to its longitudinal axis, several potential electrodes with multi-aperture drift tubes installed in them, combined into a single structure and connected by three parallel waveguides made of a hollow metal profile with other multi-aperture drift tubes installed on the longitudinal axis between the potential electrodes on these waveguides, one end of each of which is connected to the high-frequency oscillation generator, and the other, to the corresponding matching load connected to the housing, moreover, adjacent potential electrodes are displaced relative to each other around the longitudinal the axis of this system by 120 degrees, and their waveguides are displaced relative to the waveguides of neighboring potential electrodes by 60 degrees, characterized in that all waveguides are made in the form of a spiral, and their internal cavities are filled with a dielectric icom.
Разработанный для этой ускоряющей ВЧ системы многоапертурный инжектор, характеризуется эффективной электростатической фокусировкой, усиленной примененной конфигурацией сходящихся к центральной оси ускоряющего зазора силовых линий электрического поля. В отличие от прототипа, наличие такой поперечной фокусировки пучков кластерных ионов позволяет изменять, в зависимости от направления каналов инжектора, траектории движения в них пучков заряженных частиц, обладающих различными массами.The multi-aperture injector developed for this accelerating RF system is characterized by effective electrostatic focusing, enhanced by the applied configuration of electric field lines converging to the central axis of the accelerating gap. Unlike the prototype, the presence of such a transverse focusing of cluster ion beams allows you to change, depending on the direction of the channels of the injector, the trajectory of motion in them of beams of charged particles with different masses.
Предложенный для использования в конструкции заявляемой полезной модели многоапертурный инжектор состоит из корпуса, металлических обечаек с соосно расположенными апертурами, сходящимися к его центральной продольной оси. Диаметр апертур в обечайках уменьшается по мере их схождения и в апертуры установлены конусного вида полые трубки дрейфа с металлическими сетками на входной апертуре каждой трубки дрейфа. Трубки дрейфа выполнены таким образом, чтобы входной диаметр каждой из них был больше ее выходного диаметра, который, в свою очередь, равен входному диаметру каждой последующей трубки дрейфа. Корпус и обечайки электрически изолированы друг от друга и обечайки электрически соединены с отдельными источниками электропитания.The multi-aperture injector proposed for use in the design of the claimed utility model consists of a housing, metal shells with coaxially arranged apertures converging to its central longitudinal axis. The diameter of the apertures in the shells decreases as they converge, and cone-shaped hollow drift tubes with metal grids are installed in the apertures at the inlet aperture of each drift tube. The drift tubes are made in such a way that the inlet diameter of each of them is greater than its outlet diameter, which, in turn, is equal to the inlet diameter of each subsequent drift tube. The body and shells are electrically isolated from each other and the shells are electrically connected to separate power supplies.
В отличие от известной конструкции ускорителя кластерных ионов согласно ближайшему аналогу, в предложенной полезной модели возникают новые физические и полезные свойства, обусловленные применением оригинальных для существующих ускорителей такого типа технических решений, а именно:Unlike the well-known design of the cluster ion accelerator according to the closest analogue, in the proposed utility model, new physical and useful properties arise due to the use of technical solutions original for existing accelerators of this type, namely:
1) в многоапертурном инжекторе, в отличие от аналога, возникает новый физический эффект, усиленная поперечная фокусировка пучков кластерных ионов, появившаяся в результате предложенной установки металлических сеток в апертуры на входах трубок дрейфа;1) in a multi-aperture injector, in contrast to its analog, a new physical effect arises, enhanced transverse focusing of cluster ion beams, which appeared as a result of the proposed installation of metal grids in apertures at the drift tube inlets;
2) наличие металлических сеток на входе каждой последующей трубки дрейфа, в отличие от выходной апертуры предыдущей трубки дрейфа, где таких сеток нет, формирует электрическое поле в зазоре между смежными трубками дрейфа, направление силовых линий которого сходится от торцов предыдущей трубки дрейфа к центральной оси зазора на входе каждой последующей трубки дрейфа. Такая конфигурация сходящихся силовых линий электрического поля в зазоре между трубками дрейфа усиливает фокусировку и радиальную компрессию пучка кластеров; ускоряемого в зазорах между трубками дрейфа;2) the presence of metal grids at the inlet of each subsequent drift tube, in contrast to the exit aperture of the previous drift tube, where there are no such grids, forms an electric field in the gap between adjacent drift tubes, the direction of the field lines of which converges from the ends of the previous drift tube to the central axis of the gap at the inlet of each successive drift tube. Such a configuration of converging electric field lines in the gap between the drift tubes enhances the focusing and radial compression of the cluster beam; drift accelerated in the gaps between the tubes;
3) наличие эффективной фокусировки и радиального обжатия пучка, позволяют производить одновременный отбор ионов в режим ускорения из плазмы с увеличенной областью экстракции, одновременно из нескольких источников ионов и удерживать их от радиального разлета на заданной траектории движения. Возможность изменять поперечные размеры пучка, за счет его компрессии, обеспечивает выполнение условий согласования параметров пучков кластеров из различных каналов инжектора с характеристиками соответствующих каналов ускоряющей ВЧ системы.3) the presence of effective focusing and radial compression of the beam, make it possible to simultaneously select ions in the acceleration mode from the plasma with an increased extraction region, simultaneously from several ion sources and keep them from radial expansion along a given trajectory. The ability to change the transverse dimensions of the beam, due to its compression, ensures the fulfillment of the conditions for matching the parameters of cluster beams from different channels of the injector with the characteristics of the corresponding channels of the accelerating RF system.
Указанные факторы способствует увеличению тока кластерных ионов, инжектируемых в ВЧ систему данного ускорителя, а также расширению спектра масс ускоряемых в ускорителе кластерных ионов.These factors contribute to an increase in the current of cluster ions injected into the RF system of this accelerator, as well as to an expansion of the mass spectrum of cluster ions accelerated in the accelerator.
Применение нерезонансной многоапертурной ВЧ структуры с электромагнитными волнами бегущего типа, позволяющей согласовать динамику движения ускоряемых заряженных частиц в широком диапазоне различий отношений заряда к массе со скоростью изменения электрических потенциалов на соответствующих трубках дрейфа, способствует расширению границ, для эффективного ускорения кластерных ионов с различной массой. Многоапертурность примененной ВЧ системы способствует уменьшению плотности частиц в ускоряемом канале и вероятности их разрушения при взаимных столкновениях, позволяя увеличить ток кластеров в пучке на выходе ускорителя.The use of a non-resonant multi-aperture RF structure with traveling electromagnetic waves, which makes it possible to coordinate the dynamics of the movement of accelerated charged particles in a wide range of differences in charge-to-mass ratios with the rate of change in electric potentials on the corresponding drift tubes, contributes to the expansion of the boundaries for effective acceleration of cluster ions with different masses. The multi-aperture nature of the RF system used contributes to a decrease in the density of particles in the accelerated channel and the probability of their destruction in mutual collisions, making it possible to increase the cluster current in the beam at the output of the accelerator.
Перечисленные выше факторы расширяют границы спектра масс кластеров, для возможности их эффективного ускорения и способствуют увеличению тока пучка на выходе многоапертурного ускорителя кластерных ионов, обеспечивая достижение заявленного технического результата.The factors listed above expand the boundaries of the mass spectrum of clusters, for the possibility of their effective acceleration and contribute to an increase in the beam current at the output of the multi-aperture cluster ion accelerator, ensuring the achievement of the claimed technical result.
Анализ отличительных существенных признаков предложенной полезной модели, и проявленных благодаря им полезных свойств, связанных с решением поставленной технической задачи, а именно, возникновение новых физических особенностей и полезных свойств, не существовавших в действующих ускорителях кластерных ионов, выразившихся в применении в предлагаемом ускорителе многоапертурного инжектора оригинальной конструкции, в которой реализованы возможности поперечной фокусировки с компрессией пучков кластерных ионов и коррекцией траектории их движения, позволяющих производить одновременный отбор ионов для ускорения из плазмы нескольких источников ионов и вводить их в соответствующие каналы ускоряющей ВЧ системы, и, использования для ускорения заряженных частиц электромагнитных волн бегущего типа, позволяющих ускорять в ВЧ системе кластерные ионы с широким диапазоном масс, являются факторами, которые отсутствуют в известной конструкции ускорителя кластерных ионов согласно ближайшему аналогу и обеспечивают достижения заявленного технического результата в предложенном ускорителе; позволяет считать, что предложенный многоапертурный ускоритель кластерных ионов соответствует критерию полезная модель.Analysis of the distinctive essential features of the proposed utility model, and the useful properties manifested due to them related to the solution of the set technical problem, namely, the emergence of new physical features and useful properties that did not exist in existing cluster ion accelerators, expressed in the use of the original multi-aperture injector in the proposed accelerator design, which implements the possibility of transverse focusing with compression of cluster ion beams and correction of the trajectory of their movement, allowing simultaneous selection of ions for acceleration from the plasma of several ion sources and introducing them into the corresponding channels of the accelerating RF system, and using electromagnetic waves to accelerate charged particles of the traveling type, which make it possible to accelerate cluster ions with a wide mass range in an RF system, are factors that are absent in the known design of a cluster ion accelerator according to the closest analogue and provide check the achievement of the claimed technical result in the proposed accelerator; allows us to consider that the proposed multi-aperture cluster ion accelerator meets the utility model criterion.
Оригинальность предложенного технического решения в том, что площади входных апертур трубок дрейфа отдельных каналов, многоканального инжектора, через которые осуществляется экстракция кластерных ионов из соответствующих генераторов плазмы, превосходят площади апертур на их выходах. Это позволяет обеспечивать отбор заряженных частиц для ускорения по каждому отдельному каналу в многоканальной ускоряющей ВЧ системе от плазменной поверхности, площадь которой превосходит соответствующий размер канала в самой ускоряющей ВЧ системе. Примененный в многоапертурном инжекторе способ электростатической фокусировки с помощью электростатических сеток в ускоряющих зазорах между смежными трубками дрейфа, площадь апертур которых синхронно уменьшается к выходу данного инжектора, обеспечивает усиленную наличием сетки фокусировку и радиальную компрессию пучка. Радиальная компрессия, в совокупности с общей направленностью электрического поля в отдельных каналах, позволяет одновременно экстрагировать кластерные ионы из плазмы нескольких источников и уменьшает их потери при транспортировке и при вводе в каналы ускоряющей ВЧ системы.The originality of the proposed technical solution lies in the fact that the area of the input apertures of the drift tubes of individual channels, the multichannel injector, through which cluster ions are extracted from the corresponding plasma generators, exceeds the area of the apertures at their outputs. This makes it possible to ensure the selection of charged particles for acceleration through each individual channel in a multichannel accelerating RF system from a plasma surface whose area exceeds the corresponding channel size in the accelerating RF system itself. The method of electrostatic focusing applied in a multi-aperture injector using electrostatic grids in accelerating gaps between adjacent drift tubes, the aperture area of which decreases synchronously towards the exit of this injector, provides grid-enhanced focusing and radial beam compression. Radial compression, in combination with the general direction of the electric field in individual channels, makes it possible to simultaneously extract cluster ions from the plasma of several sources and reduce their losses during transportation and when introduced into the channels of the accelerating RF system.
Для ускорения заряженных частиц в использованной многоканальной высокочастотной системе ускорителя применяются электромагнитные волны бегущего типа, которые распространяются между соответствующими трубками дрейфа по пустотелым волноводам, выполненным в виде спиралей с полостью, заполненной диэлектриком. Примененное техническое решение, позволяющее регулировать скорость перемещения разности электрических потенциалов между трубками дрейфа в широких пределах, обеспечивает согласование параметров ускоряющего электрического поля в зазорах между трубками дрейфа с динамикой движения кластерных ионов, расширяя диапазон масс кластеров, для их ускорения.To accelerate charged particles in the used multichannel high-frequency system of the accelerator, traveling-type electromagnetic waves are used, which propagate between the corresponding drift tubes along hollow waveguides made in the form of spirals with a cavity filled with a dielectric. The applied technical solution, which makes it possible to control the speed of movement of the electric potential difference between the drift tubes over a wide range, ensures the coordination of the parameters of the accelerating electric field in the gaps between the drift tubes with the dynamics of the movement of cluster ions, expanding the mass range of clusters for their acceleration.
Реализованная в конструкции многоапертурного ускорителя кластерных ионов возможность одновременного отбора заряженных частиц из плазмы нескольких источников кластерных ионов и последующего их распределением между апертурами в трубках дрейфа, для одновременного ускорения по нескольким каналам в одной ускоряющей ВЧ системе, позволяет уменьшать плотность ускоряемых частиц в отдельном ускоряющем канале, для уменьшения вероятности их взаимных столкновений в процессе ускорения.Implemented in the design of a multi-aperture cluster ion accelerator, the possibility of simultaneous selection of charged particles from the plasma of several sources of cluster ions and their subsequent distribution between apertures in drift tubes, for simultaneous acceleration through several channels in one accelerating RF system, makes it possible to reduce the density of accelerated particles in a separate accelerating channel, to reduce the likelihood of their mutual collisions during acceleration.
Перечисленные выше факторы способствуют повышению интенсивности потока ускоренных кластерных ионов в ускорителе и расширяют возможности ускорения для кластерных ионов с различными значениями атомной массы.The factors listed above contribute to an increase in the intensity of the stream of accelerated cluster ions in the accelerator and expand the possibilities of acceleration for cluster ions with different atomic masses.
Краткое описание чертежейBrief description of the drawings
На рис. 1 показан многоапертурный ускоритель кластерных ионов и его составляющие:On fig. Figure 1 shows a multi-aperture cluster ion accelerator and its components:
1. Многоапертурный инжектор.1. Multi-aperture injector.
2. Обечайки.2. Shells.
3. Источники электропитания (ИП).3. Power supplies (IP).
4. Трубки дрейфа.4. Drift tubes.
5. Источники кластерных ионов.5. Sources of cluster ions.
6. Металлические сетки.6. Metal mesh.
7. Силовые линии электрического поля между трубками дрейфа.7. Electric field lines between drift tubes.
8. Многоапертурная ускоряющая высокочастотная (ВЧ) система.8. Multi-aperture accelerating high-frequency (HF) system.
На рис. 2 показана многоапертурная ускоряющая высокочастотная (ВЧ) система 8, входящая в конструкцию многоапертурного ускорителя кластерных ионов, приведенную на рис. 1, и ее составляющие:On fig. Figure 2 shows a multi-aperture accelerating high-frequency (HF)
9. Потенциальные электроды.9. Potential electrodes.
10. Многоапертурные трубки дрейфа.10. Multi-aperture drift tubes.
11. Волноводы.11. Waveguides.
12. Нагрузки (R)12. Loads (R)
13. Генератор высокочастотных (ВЧ) колебаний (Г).13. Generator of high-frequency (HF) oscillations (G).
Пример реализацииImplementation example
В многоапертурном ускорителе кластерных ионов заряженные частицы, экстрагированные из плазмы нескольких ИИ, проходят через соответствующие апертуры отдельных каналов многоапертурного инжектора, формируются в ионные пучки, которые ускоряются в зазорах между трубками дрейфа этих каналов. Далее, пучки ионов инжектируются в соответствующие каналы многоканальной ускоряющей ВЧ системы, где ускоряются до требуемой энергии. На рис. 1 показан общий вид многоапертурного ускорителя кластерных ионов, состоящего из многоапертурного инжектора 1, с установленными на нем независимыми источниками кластерных ионов 5, кластеры экстрагируются из плазмы этих источников и формируются в пучки в апертурах трубок дрейфа 4, имеющих площадь на входе данного инжектора большую, чем на его выходе. Такая разница площадей в апертурах трубок дрейфа различных обечаек стала возможной в результате того, что при пролете кластеров через каналы многоапертурного инжектора, пучки в каждом из каналов подвергаются радиальной фокусировке оптикой с сетками. Оптическая система такого типа способствует уменьшению диаметра пучков кластеров в результате радиальной компрессии и корректировке траектории движения этих пучков таким образом, чтобы она совпадала с направлением данного канала и обеспечивала их ввод в соответствующие каналы ускоряющей ВЧ системы.In a multi-aperture cluster ion accelerator, charged particles extracted from the plasma of several PIs pass through the corresponding apertures of individual channels of the multi-aperture injector and are formed into ion beams that are accelerated in the gaps between the drift tubes of these channels. Further, ion beams are injected into the corresponding channels of the multichannel accelerating RF system, where they are accelerated to the required energy. On fig. Figure 1 shows a general view of a multi-aperture cluster ion accelerator consisting of a
Примененная в многоапертурном ускорителе кластерных ионов конструкция многоапертурного инжектора 1, показана на рис. 1. Его корпус, на входе и выходе снабжен торцевыми фланцами с апертурами для отдельных каналов, к которым крепятся, на входе источники кластерных ионов, на выходе - ускоряющая ВЧ система. Внутри корпуса, технологически, между собой эти фланцы разделены в пространстве стойками, к которым, через электрические изоляторы крепятся обечайки 2, с апертурами, для отдельных ускоряющих каналов. Причем диаметры апертур уменьшаются в сторону выходного фланца на корпусе таким образом, чтобы обеспечить согласование с размерами апертур входных каналов многоканальной ускоряющей ВЧ системы 8. Каждая из обечаек 2, электрически соединена с отдельным источником электропитания 3 (ИП) таким образом, чтобы между обечайками возникала разность электрических потенциалов, величина которой обеспечивает электростатическую фокусировку пучка заряженных частиц, достаточную для его прохождения через трубки дрейфа 4 по всему тракту каждого отдельного канала. В апертурах обечаек 2 установлены конусного вида металлические трубки дрейфа 4 с конфигурацией, при которой размеры входного и выходного отверстий каждой трубки дрейфа 4 совпадают с размером выходного отверстия предыдущей трубки дрейфа 4 и размером входного отверстия последующей трубки дрейфа 4, соответственно. Для усиления эффекта фокусировки и радиальной компрессии пучка в зазоре между данными трубками дрейфа, на входе каждой трубки дрейфа 4 установлена металлическая сетка 6. Наличие такой сетки на входной апертуре каждой последующей трубки дрейфа позволяет формировать в зазоре между предыдущей и последующей трубками дрейфа электрическое поле 7, силовые линии которого сходятся к центральной продольной оси данного зазора. На рис. 1 показана конфигурация силовых линий только для одного, центрального канала. Во всех других зазорах она будет аналогичной. Электрическое поле, сходящееся к центральной продольной оси зазора промежутка между трубками дрейфа, усиливает эффект радиальной фокусировки пучка кластеров к данной оси, что способствует более интенсивному радиальному обжатию (компрессии) пучка, по сравнению с широко известной иммерсионной фокусировкой, при которой пучок в первой половине ускоряющего зазора испытывает фокусировку и дефокусируется во второй его половине (Б.Н. Яблоков. Ускорители. Гос. Атом. Издат. 1962, Москва. С. 534-537).The design of
Кластерные ионы, экстрагируются из плазмы соответствующих источников ионов 5 в трубки дрейфа 4, первой от ИИ обечайки 2, электрическим полем 7 и, в дальнейшем, ускоряются этим полем. Пройдя через первую по ходу пучка трубку дрейфа 4, попадают в зазор между свободным от металлической сетки выходом этой трубки дрейфа и закрытым сеткой входом аналогичной трубки дрейфа 4, установленной в апертуре следующей по ходу пучка обечайке 2. Электрическое поле 7 в этом зазоре действует на кластерные ионы пучка как фокусирующая линза с непрерывным эффектом фокусировки. Обжимая его по радиусу к центральной продольной оси канала «сходящимися» к ней силовыми линиями данного поля, рис. 1. В результате непрерывного воздействия на пучок в зазоре между смежными трубками дрейфа фокусирующих сил, возникает усиленный эффект фокусировки пучка в зазоре. Разность электрических потенциалов в зазорах между трубками дрейфа 4 и длина этих трубок дрейфа выбрана такими, чтобы пучок ускоряемых кластеров проходил через соответствующую трубку дрейфа и без потерь попадал в следующий зазор. Такой алгоритм движения повторяется во всех зазорах на протяжении отдельного канала и действует во всех отдельных каналах данного многоапертурного инжектора. Общая направленность силовых линий электрических полей 7 в зазорах между трубками дрейфа 4 во всех отдельных каналах, наряду с сильной фокусировкой, позволяют отклонять пучки кластеров от периферии, сводя их к его центральной продольной оси, коррелированной с осью соответствующего канала в многоапертурной ускоряющей ВЧ системе 8. Конфигурация силовых линий электрического поля в зазорах между трубками дрейфа 4, за счет эффекта фокусировки, способствует радиальной компрессии пучка на протяжении каждого отдельного канала. Примененное техническое решение, с уменьшающимися по величине, от входа данного согласующего канала к его выходу, выходные и соответствующие им входные апертуры смежных трубок дрейфа 4 предложенной конструкции, в совокупности с изменяющейся по величине разностью электрических потенциалов на обечайках 2, в которых установлены эти трубки дрейфа, рис. 1, позволяет увеличивать жесткость фокусировки кластерных ионов в зазорах между трубками дрейфа по мере прохождения ионного пучка по отдельному каналу, способствуя этим усилению его компрессии и росту плотности заряженных частиц в этом пучке.Cluster ions are extracted from the plasma of the
Размеры выходных апертур трубок дрейфа 4, установленных на выходе данного многоапертурного инжектора, согласованы по величине и положению в пространстве с соответствующими каналами многоапертурной ускоряющей ВЧ системы 8, способствуя уменьшению потерь заряженных частиц при прохождении пучков из каналов данного инжектора во входные апертуры трубок дрейфа ускоряющей ВЧ системы 8, рис. 1.The dimensions of the outlet apertures of the
В примененной многоапертурной ускоряющей высокочастотной системе, установлены параллельно ее продольной оси несколько потенциальных электродов 9 с многоапертурными трубками дрейфа 10, предназначенные для ускорения заряженных частиц, рис. 2. Эти трубки дрейфа и соответствующие им потенциальные электроды, соединены с размещенными на продольной оси данной ускоряющей ВЧ системы, аналогичными трубками дрейфа при помощи группы из трех волноводов 11, на которых эти трубки дрейфа и потенциальные электроды держатся. На рис. 2 показаны два из трех действующих волноводов, соединенных с соответствующими трубками дрейфа, что позволяет с большей наглядностью пояснять их конструкцию и принципы работы данной ускоряющей ВЧ системы. Противоположные концы волноводов соединены, одним концом с корпусом ускоряющей ВЧ системы, через согласующие нагрузки 12, на рис. 2 обозначенные буквой «R». Другим концом, через соответствующие фидеры, обеспечивающие требуемый сдвиг волновых фаз электромагнитных ВЧ колебаний в соответствующих им волноводах, с генератором высокочастотных колебаний 13, обозначенных «Г». Волноводы 11 выполнены в виде спирали с шагом S и диаметром спирали 2а, величину которых можно изменять, из полого металлического профиля круглого сечения, полости которого заполнены диэлектриком. Структура электропитания трубок дрейфа в ускоряющей ВЧ системе выполнена по схеме трехпроводной линии. Волноводы 11, соединяющие соответствующие многоапертурные трубки дрейфа 10 в потенциальных электродах 9, смещены в радиальной плоскости данной ускоряющей ВЧ системы, относительно друг друга вокруг ее продольной оси на угол равный 120° и смещены относительно аналогичных волноводов другого потенциального электрода на угол равный 60°. Апертуры в многоапертурных трубках дрейфа 10, рис. 2, расположены соосно продольной оси ускорителя и соосно друг другу.In the used multi-aperture accelerating high-frequency system, several
В предлагаемой полезной модели многоапертурного ускорителя кластерных ионов, применены технические решения, обеспечивающие достижения заявленного технического результата.In the proposed utility model of a multi-aperture cluster ion accelerator, technical solutions are applied that ensure the achievement of the claimed technical result.
Так оригинальная конструкция многоапертурного инжектора с трубками дрейфа предложенного вида позволяет создавать поперечную компрессию ионного пучка за счет усиленной сетками, установленными на входе трубок дрейфа, фокусировки пучка и корректировать его положение в пространстве, что обеспечивает возможность одновременной экстракции ионов из плазмы нескольких ИИ с большой площади плазменной поверхности через входные апертуры каждого канала. Уменьшение площади этих апертур к выходу каждого канала для согласования их величины и пространственного положения с соответствующими каналами ускоряющей ВЧ системы, позволяет уменьшить потери кластеров при их переходе в каналы ускоряющей ВЧ системы.Thus, the original design of a multi-aperture injector with drift tubes of the proposed type makes it possible to create a transverse compression of the ion beam due to the beam focusing reinforced with grids installed at the entrance of the drift tubes and to correct its position in space, which makes it possible to simultaneously extract ions from the plasma of several laser pulses from a large plasma area. surface through the entrance apertures of each channel. Reducing the area of these apertures to the output of each channel to match their size and spatial position with the corresponding channels of the accelerating RF system, makes it possible to reduce the loss of clusters during their transition to the channels of the accelerating RF system.
В конструкции ускорителя согласно предложенной полезной модели предлагается использовать многоапертурную ускоряющую ВЧ систему, обладающую рядом полезных технических свойств, для ускорения, именно, кластерных ионов, которая обеспечивает возможность использования широкого частотного диапазона ВЧ электромагнитных волн бегущего типа, с нижней границей частоты, вплоть до радиочастотного диапазона, в зависимости от ее технического исполнения. Такой широкий диапазон частот позволяет ей ускорять как тяжелые ионы различных веществ, так и сложные атомно-молекулярные образования, имеющие большую массу и малый заряд. Оригинальность технических решений, реализующих эти возможности, достигается тем, что в примененной ускоряющей ВЧ системе отсутствует ВЧ резонатор с волнами стоячего типа. В ней все волноводы, с распространяющейся в них ВЧ электромагнитной волной бегущего типа, расположены между трубками дрейфа параллельно продольной оси ускорителя, что позволяет уменьшить диаметр ускоряющей системы, по сравнению с размерами ускоряющих систем, использующих стоячие волны. Все волноводы выполнены в виде спиралей. Такая конструкция позволяет регулировать их длину без существенного увеличения линейной протяженности самой ВЧ системы. Все волноводы могут заполняться диэлектриком различного типа, что позволяет регулировать изменение скорости движения по ним электромагнитной волны в широком диапазоне. Такие особенности технического решения, обеспечивают возможность регулирования в широких пределах скорости распространения ВЧ электромагнитной волны по волноводу и, как следствие, скорости смещения разности электрических потенциалов между трубками дрейфа таким образом, чтобы эта разность электрических потенциалов была согласована с динамикой движения ускоряемых заряженных частиц. Перечисленные выше особенности использованной ускоряющей ВЧ системы расширяют ее возможности для ускорения кластерных ионов с различной величиной массы в предлагаемом ускорителе.In the design of the accelerator, according to the proposed utility model, it is proposed to use a multi-aperture RF accelerating system, which has a number of useful technical properties, for accelerating, namely, cluster ions, which makes it possible to use a wide frequency range of traveling-type RF electromagnetic waves, with a lower frequency limit, up to the radio frequency range , depending on its technical implementation. Such a wide frequency range allows it to accelerate both heavy ions of various substances and complex atomic and molecular formations with a large mass and low charge. The originality of technical solutions realizing these possibilities is achieved by the fact that in the applied RF accelerating system there is no RF resonator with standing waves. In it, all waveguides with a traveling-type HF electromagnetic wave propagating in them are located between the drift tubes parallel to the longitudinal axis of the accelerator, which makes it possible to reduce the diameter of the accelerating system compared to the sizes of accelerating systems using standing waves. All waveguides are made in the form of spirals. This design allows you to adjust their length without a significant increase in the linear extent of the RF system itself. All waveguides can be filled with a dielectric of various types, which allows you to control the change in the speed of the electromagnetic wave through them in a wide range. Such features of the technical solution make it possible to regulate within a wide range the speed of propagation of an HF electromagnetic wave along the waveguide and, as a result, the speed of displacement of the electric potential difference between the drift tubes in such a way that this electric potential difference is consistent with the dynamics of the movement of accelerated charged particles. The above features of the used accelerating RF system expand its capabilities for accelerating cluster ions with different masses in the proposed accelerator.
При ускорении кластерных ионов, их пространственное распределение между трубками дрейфа, с одновременным ускорением по нескольким каналам в одной ускоряющей ВЧ системе способствует уменьшению плотности заряженных частиц в отдельном ускоряющем канале и вероятности их взаимных столкновений при ускорении. Данный фактор содействует повышению интенсивности заряженных частиц в пучке на выходе ускоряющей ВЧ системы.During acceleration of cluster ions, their spatial distribution between drift tubes, with simultaneous acceleration through several channels in one accelerating RF system, contributes to a decrease in the density of charged particles in a separate accelerating channel and the probability of their mutual collisions during acceleration. This factor promotes an increase in the intensity of charged particles in the beam at the output of the accelerating RF system.
Конструкция примененной ускоряющей ВЧ системы, адаптированная для достижения целей заявленной полезной модели, обладает возможностью одновременного ускорения нескольких пучков заряженных частиц при помощи электромагнитного поля бегущей волны типа Н10, генерируемой генератором ВЧ колебаний 13 «Г», рис. 2 и работает следующим образом. Волны ВЧ колебаний электрического напряжения, от высокочастотного генератора 13 «Г», с заданным различием фаз, вводятся в пространство внутри многоапертурной ускоряющей системы через высокочастотные фидеры (волноводы), и поступают на соответствующие многоапертурные трубки дрейфа 10, соединенные посредством волноводов 11, рис. 2. Передаваемая по соответствующим волноводам ВЧ электрическая мощность, поступает, со скоростью движения электромагнитных волн по волноводам на соответствующие трубки дрейфа 10. Она генерирует в них ускоряющее электрическое поле, образующееся в результате возникновения в зазорах между смежными трубками дрейфа, из-за сдвига фаз, разности электрических потенциалов. Напряженность этого поля зависит от величины сдвига фаз в электромагнитных волнах, поступающих от генератора ВЧ колебаний 13. В примененной ускоряющей ВЧ системе, рис. 2, фазовый сдвиг волн выбран равным π/2, и адаптирован для ускорения кластерных ионов изотопов водорода. Наличие согласующих нагрузок 12 «R» на противоположных от фидеров концах волноводов 11, позволяет гасить избыток электромагнитной энергии в волноводах, и формировать в них электромагнитные волны бегущего типа, осуществляющие перенос мощности электрического ВЧ поля вдоль ускорительного тракта. Скорость распространения этих волн в волноводах подобрана из условия согласования со скоростью движения пучка однозарядных кластеров дейтерия, с величиной собственной массы в пределах 100-150 а.е.м.The design of the used accelerating RF system, adapted to achieve the goals of the claimed utility model, has the ability to simultaneously accelerate several beams of charged particles using an electromagnetic field of a traveling wave of the H10 type generated by an
Изменение длины волноводов 11 между соответствующими трубками дрейфа 10 (путем регулирования их диаметра 2а и шага спирали S), рис. 2, позволяет согласовать условия взаимодействия ускоряющего электрического поля в зазорах между этими трубками дрейфа со скоростью движения ускоряемого пучка кластерных ионов. Примененное в многоапертурной высокочастотной системе для ускорения кластерных ионов симметричное относительно центральной продольной оси данной ВЧ системы продольное расположение конструктивно выполненных в виде спиралей волноводов 11, позволяет увеличивать их длину, без существенного увеличивая радиальных размеров корпуса данной ВЧ системы, рис. 2. В силу аксиальной симметричности конструкции каналов многоапертурной ускоряющей ВЧ системы, величиной радиальной составляющей электрического поля в ее ускоряющих зазорах можно пренебречь. Уменьшение пространственной плотности частиц в ускоряющих каналах обеспечивается распределением трубок тока инжектируемого в данную систему (структуру) пучка кластерных ионов между соосными апертурами в многоапертурных трубках дрейфа 10, установленных как в теле соответствующих потенциальных электродов 9, так и между апертурами других трубок дрейфа, соединенных соответствующими волноводами 11, рис. 2. Наличие потенциальных электродов 9 и соединение звездой каждого из них с соответствующими многоапертурными трубками дрейфа 10 тремя волноводами 11, повышает жесткость всей конструкции, противодействуя пондеромоторным силам, возникающим при ускорении заряженных частиц, способным нарушить соосность ускоряющих каналов в этих трубках дрейфа, рис. 2. Изменением длины многоапертурных трубок дрейфа 10 осуществляется согласование скорости ускоряемого пучка заряженных частиц с динамикой изменения ВЧ ускоряющего поля между этими трубками дрейфа. Согласующие нагрузки 12 «R» и фидеры, соединяющие волноводы 11 с генератором ВЧ колебаний 13 «Г», являясь опорами потенциальных электродов 9 и соединенных с ними волноводами 11 соответствующих многоапертурных трубок дрейфа 10, рис. 2, повышают пространственную устойчивость всей конструкции.Changing the length of the
По сравнению с прямыми волноводами, их спиральная форма позволяет уменьшать скорость распространения электромагнитной волны в волноводе. Эффект замедления скорости распространения электромагнитной волны за счет спиральности формы волновода оценивается по известной формуле для фазовой скорости Vf волны в спиральном волноводеCompared to straight waveguides, their helical shape makes it possible to reduce the propagation speed of an electromagnetic wave in the waveguide. The effect of slowing down the propagation velocity of an electromagnetic wave due to the helicity of the waveguide shape is estimated by the well-known formula for the phase velocity Vf of a wave in a helical waveguide
где а - радиус спирали волновода, s - шаг спирали волновода.where a is the radius of the waveguide helix, s is the pitch of the waveguide helix.
Замедление скорости распространения электромагнитных волн в волноводах, если их внутренняя полость заполнена диэлектриком, можно рассчитать по формулеThe deceleration of the propagation velocity of electromagnetic waves in waveguides, if their internal cavity is filled with a dielectric, can be calculated by the formula
где ε - диэлектрическая проницаемость наполнителя, μ - магнитная проницаемость наполнителя, λkr - критическая длина волны, выше которой электромагнитные волны не могут распространяться по волноводу, зависящая от параметров внутренней полости волновода. Поскольку, для эффективного движение ВЧ волны по волноводу, λ должна быть << λkr, а для диэлектриков μ=1. Согласно (2), эффективность такого способа замедления можно оценить, каwhere ε is the dielectric permittivity of the filler, μ is the magnetic permeability of the filler, λkr is the critical wavelength above which electromagnetic waves cannot propagate along the waveguide, which depends on the parameters of the inner cavity of the waveguide. Since, for the effective movement of the RF wave along the waveguide, λ must be << λkr, and for dielectrics μ=1. According to (2), the effectiveness of this deceleration method can be estimated as
Из (3) следует, что заполнение полости волновода диэлектриками с различной величиной е, позволяет регулировать скорость движения ВЧ электромагнитной волны в таком волноводе пропорционально значению ε.It follows from (3) that filling the cavity of the waveguide with dielectrics with different values of e makes it possible to control the speed of the RF electromagnetic wave in such a waveguide in proportion to the value of ε.
Реализованная в ускоряющей ВЧ системе такого типа совокупность конструктивных решений, горизонтальное, аксиально-симметричное расположение волноводов, соединяющих трубки дрейфа и выполнение этих волноводов в виде спиралей, заполненной диэлектриком, согласно (1) и (3), позволяют замедлять скорость движения ВЧ электромагнитной волны в волноводе на величину:Implemented in an accelerating RF system of this type, a set of design solutions, a horizontal, axially symmetrical arrangement of the waveguides connecting the drift tubes and the implementation of these waveguides in the form of spirals filled with a dielectric, according to (1) and (3), make it possible to slow down the speed of the RF electromagnetic wave in waveguide on the value:
Согласно (4), при выборе диэлектрика с величиной е в пределах 2-100 и соответствующих значений шага спирали и ее диаметра, появляется возможность уменьшения скорости движения ВЧ волны в волноводах в десятки или даже сотни раз, что позволяет регулировать скорость последовательности изменения величины электрических потенциалов на трубках дрейфа в широком диапазоне, вплоть до радиотехнического диапазона частот, без увеличения размеров ускорителя. При ускорении кластеров с выбранном диапазоном масс (100-150 а.е.м.) полости волноводов в данной ускоряющей ВЧ системе диэлектриком не заполнялись. Применение в данной ускоряющей ВЧ системе многоканального принципа ускорения с соответствующим расположением ускоряющих каналов, позволяет ускорять кластеры с различной массой, способствует уменьшению их потерь при ускорении.According to (4), when choosing a dielectric with a value of e in the range of 2-100 and the corresponding values of the pitch of the helix and its diameter, it becomes possible to reduce the speed of the HF wave in the waveguides by tens or even hundreds of times, which allows you to control the speed of the sequence of changes in the magnitude of electric potentials on drift tubes in a wide range, up to the radio frequency range, without increasing the size of the accelerator. When accelerating clusters with a selected mass range (100–150 amu), the waveguide cavities in this accelerating RF system were not filled with a dielectric. The use of a multichannel acceleration principle in this accelerating RF system with an appropriate arrangement of accelerating channels makes it possible to accelerate clusters with different masses and helps to reduce their losses during acceleration.
Реализованная в предложенной полезной модели возможность разнесения в пространстве областей экстракции кластерных ионов из плазмы, с радиальной компрессией пучков кластеров в отдельных каналах многоапертурного инжектора, и последующим ускорением их в многоканальной ускоряющей ВЧ системе с электромагнитными волнами бегущего типа, позволяет эффективно использовать несколько ИИ с низкой плотностью кластерных ионов, для увеличения суммарного тока заряженных частиц в пучке на выходе предложенного многоапертурного ускорителя кластерных ионов.Implemented in the proposed utility model, the possibility of separating in space the regions of extraction of cluster ions from plasma, with radial compression of cluster beams in separate channels of a multi-aperture injector, and their subsequent acceleration in a multi-channel accelerating RF system with traveling electromagnetic waves, makes it possible to effectively use several IS with low density cluster ions, to increase the total current of charged particles in the beam at the output of the proposed multi-aperture cluster ion accelerator.
Перечисленные выше технические решения и появившиеся в результате их применения отличительные свойства, способствуют увеличению тока пучка на выходе многоапертурного ускорителя кластерных ионов, уменьшению потерь кластерных ионов и расширяют границы спектра масс для ускорения кластерных ионов различного типа.The technical solutions listed above and the distinctive properties that appeared as a result of their application contribute to an increase in the beam current at the output of a multi-aperture cluster ion accelerator, a decrease in the losses of cluster ions, and expand the boundaries of the mass spectrum for accelerating cluster ions of various types.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021119288U RU208650U1 (en) | 2021-07-01 | 2021-07-01 | MULTI-APERTURE CLUSTER ION ACCELERATOR |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021119288U RU208650U1 (en) | 2021-07-01 | 2021-07-01 | MULTI-APERTURE CLUSTER ION ACCELERATOR |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU208650U1 true RU208650U1 (en) | 2021-12-29 |
Family
ID=80039533
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2021119288U RU208650U1 (en) | 2021-07-01 | 2021-07-01 | MULTI-APERTURE CLUSTER ION ACCELERATOR |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU208650U1 (en) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2588714A1 (en) * | 1985-10-15 | 1987-04-17 | Inst Yadernoi Fiz Sib | High frequency ion accelerator with drift tubes |
| RU2533194C2 (en) * | 2012-12-04 | 2014-11-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Государственный научный центр Российской Федерации - Институт Теоретической и Экспериментальной Физики" | High-frequency accelerating structure for ion beams extracted from laser plasma |
| RU2560108C1 (en) * | 2014-04-21 | 2015-08-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" "Государственный научный центр Российской Федерации-Институт Теоретической и Экспериментальной Физики" | High-frequency structure for accelerating cluster ions |
| US9131594B2 (en) * | 2010-02-24 | 2015-09-08 | Siemens Aktiengesellschaft | RF resonator cavity and accelerator |
| RU192845U1 (en) * | 2019-05-07 | 2019-10-03 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Институт теоретической и экспериментальной физики имени А.И. Алиханова Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" | MULTI-APERTURE HIGH FREQUENCY SYSTEM FOR ACCELERATING CLUSTER IONS |
-
2021
- 2021-07-01 RU RU2021119288U patent/RU208650U1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2588714A1 (en) * | 1985-10-15 | 1987-04-17 | Inst Yadernoi Fiz Sib | High frequency ion accelerator with drift tubes |
| US9131594B2 (en) * | 2010-02-24 | 2015-09-08 | Siemens Aktiengesellschaft | RF resonator cavity and accelerator |
| RU2533194C2 (en) * | 2012-12-04 | 2014-11-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Государственный научный центр Российской Федерации - Институт Теоретической и Экспериментальной Физики" | High-frequency accelerating structure for ion beams extracted from laser plasma |
| RU2560108C1 (en) * | 2014-04-21 | 2015-08-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" "Государственный научный центр Российской Федерации-Институт Теоретической и Экспериментальной Физики" | High-frequency structure for accelerating cluster ions |
| RU192845U1 (en) * | 2019-05-07 | 2019-10-03 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Институт теоретической и экспериментальной физики имени А.И. Алиханова Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" | MULTI-APERTURE HIGH FREQUENCY SYSTEM FOR ACCELERATING CLUSTER IONS |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| PLOTNIKOV S.V. Features of acceleration and focusing of cluster ion beam in resonant linac structures, Proceedings of RuP AC, 2018, Protvino, Russia, WEPSB11, p. 304-307. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Geller | ECRIS: The electron cyclotron resonance ion sources | |
| Wille | The physics of particle accelerators: an introduction | |
| RU2344577C2 (en) | Plasma accelerator with closed electron drift | |
| Faircloth | Ion sources for high-power hadron accelerators | |
| RU192845U1 (en) | MULTI-APERTURE HIGH FREQUENCY SYSTEM FOR ACCELERATING CLUSTER IONS | |
| US3321919A (en) | Apparatus for generating high density plasma | |
| RU208650U1 (en) | MULTI-APERTURE CLUSTER ION ACCELERATOR | |
| CN107211523B (en) | Radio frequency cavity | |
| Weiss | Introduction to RF linear accelerators | |
| Dubniuk et al. | Radiation complex on the basis of helium ions linac | |
| RU2764147C1 (en) | Injector for cluster ion accelerator | |
| RU2760276C1 (en) | Method for increasing the cluster ion beam current | |
| RU2614906C1 (en) | Direct flow electric propulsion engine | |
| Vovchenko et al. | Compact Induction Accelerator of Laser Plasma for Ion Energy up to 1 MeV | |
| RU2448387C2 (en) | Method to produce high-charge ion beam | |
| RU2761460C1 (en) | Collector with multi-stage recovery for an electronic gyrotron-type uhf apparatus | |
| US10842012B2 (en) | Methods and systems for plasma self-compression | |
| RU2760284C1 (en) | X-ray source with cyclotron autoresonance | |
| Dudnikov | Charge-Exchange Technologies | |
| Tishkin | Comparative analysis of alternating-phase and combined RF focusing on the example of the He⁺ linear accelerator | |
| Wiedemann | Particle Accelerator Physics: Volume I and II (study edition) | |
| Shikanov et al. | The acceleration of laser plasma in a strong non-stationary magnetic field | |
| RU168754U1 (en) | Device for compressing the space of interaction between charged particle beams and electromagnetic radiation | |
| RU2054831C1 (en) | Method for producing accelerated ion beam | |
| Dikansky et al. | Novosibirsk B-factory: Status and perspectives |