RU2764147C1 - Injector for cluster ion accelerator - Google Patents
Injector for cluster ion accelerator Download PDFInfo
- Publication number
- RU2764147C1 RU2764147C1 RU2021114780A RU2021114780A RU2764147C1 RU 2764147 C1 RU2764147 C1 RU 2764147C1 RU 2021114780 A RU2021114780 A RU 2021114780A RU 2021114780 A RU2021114780 A RU 2021114780A RU 2764147 C1 RU2764147 C1 RU 2764147C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cluster
- drift tubes
- shells
- injector
- gaps
- 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
Landscapes
- Particle Accelerators (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области ускорителей заряженных частиц с большой массой и с малым электрическим зарядом, и может использоваться при создании ускорителей кластерных ионов для применения в областях ядерной энергетики, решения проблем управляемого термоядерного синтеза и для изучения свойств материи при сверхвысокой плотности энергии.The invention relates to the field of charged particle accelerators with a large mass and low electric charge, and can be used to create cluster ion accelerators for use in the fields of nuclear energy, solving problems of controlled thermonuclear fusion and for studying the properties of matter at ultrahigh energy density.
Инжектор является элементом устройства ускорителя, осуществляющий экстракцию заряженных частиц из их источника, формирование в пучок, предварительное ускорение этого пучка, его транспортировку и ввод в ускоряющую высокочастотную систему.The injector is an element of the accelerator device that extracts charged particles from their source, forms them into a beam, pre-accelerates this beam, transports it and enters it into an accelerating high-frequency system.
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. Характерной особенностью источников кластерных ионов является генерация плазмы с низким содержанием частиц такого сорта (Б.М. Смирнов, "Процессы в кластерной плазме и кластерных пучках", Письма в ЖЭТФ, 68, 741-746. (1998).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. A characteristic feature of cluster ion sources is the generation of plasma with a low content of particles of this type (B.M. Smirnov, "Processes in cluster plasma and cluster beams", JETP Letters, 68, 741-746. (1998).
Одним из способов увеличения интенсивности кластерных ионов (кластеров) в ускоряемом пучке является их отбор в режим ускорения с большой площади плазменной поверхности (E.W. Becker, Н. Falter, O.F. Hagena et. all. // Nucl. Fusion. 1977. V. 17. №3. P. 617.). В том числе, по нескольким каналам, с последующей их экстракцией в высокочастотную (ВЧ) ускоряющую систему ускорителя (С.В. Плотников, В.И. Турчин. Высокочастотная структура для ускорения кластерных ионов. Патент на изобретение №2567741, от 12.10.2015. Публикация ОИ 10.11.2015 г. Бюл. №31).One way to increase the intensity of cluster ions (clusters) in an accelerated beam is to select them for acceleration from a large area of the plasma surface (EW Becker, H. Falter, OF Hagena et. all. // Nucl. Fusion. 1977. V. 17. No. 3. P. 617.). Including, through several channels, with their subsequent extraction into the high-frequency (HF) accelerating system of the accelerator (S.V. Plotnikov, V.I. Turchin. High-frequency structure for accelerating cluster ions. Patent for invention No. 2567741, dated 12.10.2015 Publication of the Olympic Games on November 10, 2015, Bull. No. 31).
Кластерные ионы, из-за большой собственной массы, обладают малой подвижностью, что затрудняет их фокусировку в электрическом поле.Cluster ions, due to their large mass, have low mobility, which makes it difficult to focus them in an electric field.
Известен ускоритель кластерных ионов изотопов водорода с экстракцией кластеров из плазмы по одному каналу (M.J. Caillard, A. Schempp, Н.О. Moser et. all. First hight-energy hydrogeh cluster beams. 6th International Symposium on Small Particles and Inorganic Cluster ISSPC 6, Chicago, September 15-22, 1992). Недостатком известного ускорителя является малый ток кластеров в ускоренном пучке из-за их низкого содержания в дейтериевой плазме источника ионов (ИИ).Known accelerator cluster ions of hydrogen isotopes with the extraction of clusters from plasma in one channel (MJ Caillard, A. Schempp, N. O. Moser et. all. First hight-energy hydrogeh cluster beams. 6 th International Symposium on Small Particles and Inorganic Cluster ISSPC 6, Chicago, September 15-22, 1992). A disadvantage of the known accelerator is the low current of clusters in the accelerated beam due to their low content in the deuterium plasma of the ion source (II).
Известен многоканальный инжектор ускорителя протонов, состоящий из нескольких обечаек, в которых выполнены соосно-расположенные апертуры одинакового диаметра, и на обечайки подается электрическое напряжение с различной величиной электрических потенциалов (Модернизация инжектора многолучевого ускорителя протонов. Б.К. Кондратьев, А.В. Турчин, В.И. Турчин. ПТЭ №4, с. 29-41, 2009 г). Недостатки данного устройства состоят в следующем. Во-первых, площадь отбора ионов из плазмы невелика, из-за того, что поперечные размеры его апертур не превышают диаметры апертур в трубках дрейфа ускоряющей высокочастотной системы, что уменьшает величину тока ускоренных ускорителем ионных пучков. Во-вторых, довольно слабая фокусировка пучков электрическим полем, препятствующая ускорению кластерных ионов с большой массой.A multichannel proton accelerator injector is known, consisting of several shells, in which coaxially arranged apertures of the same diameter are made, and an electric voltage with different electric potentials is applied to the shells (Modernization of the injector of a multibeam proton accelerator. B.K. Kondratiev, A.V. Turchin , V. I. Turchin, PTE No. 4, pp. 29-41, 2009). The disadvantages of this device are as follows. First, the ion extraction area from the plasma is small, due to the fact that the transverse dimensions of its apertures do not exceed the aperture diameters in the drift tubes of the accelerating high-frequency system, which reduces the current of the ion beams accelerated by the accelerator. Secondly, rather weak focusing of beams by an electric field, which prevents the acceleration of cluster ions with a large mass.
Известен ИИ с удержанием заряженных частиц плазмы от ухода на его боковые стенки при помощи мультипольного (мультикаспового) магнитного поля. (Семашко Н.Н., Владимиров А.Н., Кузнецов В.В и др. Инжекторы быстрых атомов водорода. М. Энергоиздат. 1981. С. 86-88). Недостатком известного ИИ является отсутствие радиальной компрессии плазмы.AI is known with the retention of charged plasma particles from escaping to its side walls using a multipole (multicasp) magnetic field. (Semashko N.N., Vladimirov A.N., Kuznetsov V.V. et al. Injectors of fast hydrogen atoms. M. Energoizdat. 1981. S. 86-88). The disadvantage of the known AI is the absence of radial plasma compression.
Известна фокусировка пучка высокоэнергетичных заряженных частиц с большой массой в магнитной квадрупольной линзе (Я. Браун. Физика и технология источников ионов. Москва. «Мир». 1998. С. 78-80). Недостаток таких устройств в том, что квадрупольная линза фокусирует пучок заряженных частиц в одной плоскости и дефокусирует их в другой, нарушая его симметрию.Known for focusing a beam of high-energy charged particles with a large mass in a magnetic quadrupole lens (J. Braun. Physics and technology of ion sources. Moscow. Mir. 1998. S. 78-80). The disadvantage of such devices is that a quadrupole lens focuses a beam of charged particles in one plane and defocuses them in another, breaking its symmetry.
Наиболее близким аналогом предложенному изобретению, принятым за прототип, является многоапертурный инжектор ионов, позволяющий одновременно инжектировать в ускоритель ионы, экстрагированные с большой площади плазменной поверхности (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. Портативные генераторы нейтронов и технологии на их основе, Москва, Россия, 26-30 мая, с. 137-144, 2003 г.). Известный многоапертурный инжектор ионов состоит из металлических обечаек, в которых выполнены апертуры одинакового диаметра, соосно-сходящиеся к трубке дрейфа, установленной на входе ускоряющей ВЧ системы, при этом между обечайками создана разность электрических потенциалов.The closest analogue of the proposed invention, taken as a prototype, is a multi-aperture ion injector that allows you to simultaneously inject into the accelerator ions extracted from a large area of the plasma surface (Bogolyubov E.P., Bobylev V.T., Kuznetsov V.A., etc. Possibility increasing the efficiency of a neutron generator through the use of a multi-beam deuteron injection system. Collection of materials of the intersectoral scientific and technical conference. Portable neutron generators and technologies based on them, Moscow, Russia, May 26-30, pp. 137-144, 2003). The well-known multi-aperture ion injector consists of metal shells, in which apertures of the same diameter are made, coaxially converging to the drift tube installed at the input of the accelerating RF system, while an electric potential difference is created between the shells.
Недостатки инжектора согласно прототипу состоят в том, что площадь его апертур не превышает площадь апертур в трубках дрейфа ускоряющей ВЧ системы, ограничивая количество экстрагируемых ионов из плазмы. Кроме этого, слабая фокусировка и удержание заряженных частиц на траектории дрейфа электрическим полем в зазорах между обечайками каналов уменьшает плотность заряженных частиц в пучке при ускорении ионов с большой массой.The disadvantages of the injector according to the prototype are that the area of its apertures does not exceed the area of the apertures in the drift tubes of the accelerating RF system, limiting the amount of extracted ions from the plasma. In addition, weak focusing and retention of charged particles on the drift trajectory by an electric field in the gaps between the channel shells reduces the density of charged particles in the beam during acceleration of ions with a large mass.
Техническая проблема состоит в необходимости увеличения на выходе инжектора для ускорителя кластерных ионов тока пучка кластеров, обладающих большой массой.The technical problem is the need to increase the output of the injector for the cluster ion accelerator current beam of clusters with large masses.
Технической задачей предложенного изобретения является создание инжектора для ускоряющей ВЧ системы ускорителя с увеличенной инжекцией кластерных ионов.The technical objective of the proposed invention is the creation of an injector for the accelerating RF accelerator system with increased injection of cluster ions.
При решении технической задачи было обеспечено достижение не только увеличения инжекции кластерных ионов, но также усиление их фокусировки, удержание от потерь кластеров при транспортировке и обеспечение оптимальных параметров для их ввода из инжектора для ускорителя кластерных ионов в ускоряющую ВЧ систему ускорителя, что составляет технический результат предложенного изобретения.When solving the technical problem, it was ensured that not only an increase in the injection of cluster ions was achieved, but also an increase in their focusing, retention of clusters from losses during transportation and provision of optimal parameters for their introduction from the injector for the cluster ion accelerator into the accelerating RF system of the accelerator, which constitutes the technical result of the proposed inventions.
Достижение заявленного технического результата обеспечивается тем, что предложенная в данном изобретении конструкция устройства, являющегося инжектором кластеров для ускоряющей ВЧ системы ускорителя, позволяет:The achievement of the claimed technical result is ensured by the fact that the design of the device proposed in this invention, which is an injector of clusters for the accelerating RF system of the accelerator, allows:
- производить отбор кластерных ионов с большой площади плазменных поверхностей одновременно из нескольких источников кластерных ионов;- to select cluster ions from a large area of plasma surfaces simultaneously from several sources of cluster ions;
- формировать их в ионные пучки, при этом фокусировка, ускорение и транспортировка этих пучков происходит в пространстве со скрещенными силовыми полями, усиливающими эффективность этих процессов в магнитном и электрическом полях;- form them into ion beams, while focusing, acceleration and transportation of these beams occurs in space with crossed force fields, which enhance the efficiency of these processes in magnetic and electric fields;
- локализовать концентрацию кластерных ионов в зоне действия электрического поля, свободной от магнитного поля.- to localize the concentration of cluster ions in the zone of action of the electric field, free from the magnetic field.
Предложен инжектор для ускорителя кластерных ионов, как и в ближайшем аналоге, содержащий обечайки, в которых выполнены апертуры, соосно-сходящиеся к его центральной оси, в направлении от ИИ к ускоряющей ВЧ системе, с диаметрами, уменьшающимися по мере приближения обечаек к указанной ВЧ системе. Однако, в оригинальной конструкции раскрытого в настоящей заявке инжектора обечайки выполнены из диэлектрического материала и, каждая апертура на ближайшей к источнику кластерных ионов обечайке соединена с выходом соответствующего источника кластерных ионов и во все апертуры всех обечаек установлены тонкостенные металлические трубки дрейфа таким образом, чтобы между соответствующими трубками дрейфа соседних обечаек существовали зазоры. Причем диаметр каждой трубки дрейфа должен соответствовать диаметру апертуры в данной обечайке. При этом все трубки дрейфа на каждой обечайке электрически соединены между собой и с отдельным источником электропитания, а между обечайками, симметрично центральной продольной оси зазоров между трубками дрейфа, вокруг этих трубок дрейфа, на одинаковом расстоянии от стенок трубок дрейфа, установлены по шесть постоянных магнитов, электрически изолированных от трубок дрейфа и сдвинутых по окружности относительно друг друга на 60 градусов так, чтобы в трубках дрейфа и в зазорах между ними существовало мультипольное магнитное поле, величина которого на центральной продольной оси зазоров равнялась нулю и резко нарастала вблизи поверхностей постоянных магнитов и в зазорах между ними.An injector for a cluster ion accelerator is proposed, as in the closest analogue, containing shells in which apertures are made coaxially converging to its central axis, in the direction from the AI to the accelerating RF system, with diameters decreasing as the shells approach the specified RF system. . However, in the original design of the injector disclosed in this application, the shells are made of a dielectric material, and each aperture on the shell closest to the source of cluster ions is connected to the output of the corresponding cluster ion source, and thin-walled metal drift tubes are installed in all apertures of all shells so that between the corresponding There were gaps between the drift tubes of adjacent shells. Moreover, the diameter of each drift tube must correspond to the diameter of the aperture in the given shell. At the same time, all drift tubes on each shell are electrically connected to each other and to a separate power source, and between the shells, symmetrically to the central longitudinal axis of the gaps between the drift tubes, around these drift tubes, at the same distance from the walls of the drift tubes, six permanent magnets are installed, electrically isolated from the drift tubes and shifted along the circumference relative to each other by 60 degrees so that in the drift tubes and in the gaps between them there is a multipole magnetic field, the value of which on the central longitudinal axis of the gaps was equal to zero and sharply increased near the surfaces of permanent magnets and in the gaps between them.
Ускорение и фокусировка кластеров осуществляется при помощи аксиально-симметричного электрического поля, а удерживание заряженных частиц на траектории их движения и формирование геометрии пучка, с уменьшением его поперечных размеров, реализовано при помощи магнитного поля сложной конфигурации, силовые линии которого направлены перпендикулярно траектории движения пучка.Acceleration and focusing of clusters is carried out using an axially symmetric electric field, and the retention of charged particles on the trajectory of their movement and the formation of the beam geometry, with a decrease in its transverse dimensions, is implemented using a magnetic field of complex configuration, the lines of force of which are directed perpendicular to the beam trajectory.
В предложенном изобретении применена особая суперпозиция таких полей, которая характеризуется наличием нарастающей в направлении от ИИ к ускоряющей ВЧ системе, вдоль траектории движения пучка кластерных ионов, пространственной плотностью мультипольного магнитного поля. Увеличение которого является следствием предложенной в изобретении оригинальной конструкции магнитной системы со сходящимися к центральной продольной оси движения пучка поверхностями постоянных магнитов. Предложенная конструкция способствует не только эффективному удержанию тяжелых заряженных частиц на требуемой траектории движения, но и радиальному обжатию пучка кластерных ионов, уменьшая в процессе дрейфа его поперечные размеры до необходимых значений. Совокупное действие перечисленных выше физических эффектов позволяет изменять диаметры экстрагированных из ИИ пучков заряженных частиц и траектории их движения таким образом, чтобы обеспечить ввод всех инжектированных источниками кластерных ионов в ускоряющую систему как одноканальную, так и многоканальную ускоряющую ВЧ систему ускорителя.In the proposed invention, a special superposition of such fields is used, which is characterized by the presence of a multipole magnetic field increasing in the direction from the IS to the accelerating RF system, along the trajectory of the cluster ion beam. The increase of which is a consequence of the original design of the magnetic system proposed in the invention with surfaces of permanent magnets converging to the central longitudinal axis of the beam movement. The proposed design contributes not only to the effective retention of heavy charged particles on the required trajectory, but also to the radial compression of the cluster ion beam, reducing its transverse dimensions to the required values during the drift. The combined action of the physical effects listed above makes it possible to change the diameters of the charged particle beams extracted from the IS and their trajectories in such a way as to ensure the input of all cluster ions injected by the sources into the accelerating system, both the single-channel and the multichannel accelerating RF system of the accelerator.
В предложенном изобретении экстрагированные из плазмы ИИ кластерные ионы подвергаются фокусировке и ускоряются аксиально-симметричным электрическим полем в зазорах между трубками дрейфа. Удержание кластерных ионов в пучке от разлета обеспечивается за счет эффекта нарастания в радиальном направлении от центральной продольной оси движения пучка, которая свободна от магнитного поля, к постоянным магнитам величины напряженности магнитного поля. Такая его конфигурация, при которой возникает увеличивающееся магнитное давление на заряженную частицу в направлении от центра к плоскостям постоянных магнитов, способствует вытеснению кластерных ионов в область центральной продольной оси. В результате магнитного давления, ускоряемый пучок кластеров, стремясь занять область свободную от магнитного поля, будет вынужден двигаться по траектории, задаваемой направлением центральной продольной оси зазоров между трубками дрейфа.In the proposed invention, the cluster ions extracted from the IS plasma are subjected to focusing and accelerated by an axially symmetric electric field in the gaps between the drift tubes. The retention of cluster ions in the beam from expansion is ensured due to the effect of an increase in the radial direction from the central longitudinal axis of the beam movement, which is free from the magnetic field, to the permanent magnets of the magnetic field strength. Its configuration, in which an increasing magnetic pressure arises on a charged particle in the direction from the center to the planes of permanent magnets, contributes to the displacement of cluster ions into the region of the central longitudinal axis. As a result of the magnetic pressure, the accelerated cluster beam, tending to occupy the area free from the magnetic field, will be forced to move along the trajectory specified by the direction of the central longitudinal axis of the gaps between the drift tubes.
Предложенное расположение постоянных магнитов, с постоянно уменьшающимся расстоянием от плоскостей их поверхностей до центральной продольной оси движения пучка, в направлении от ИИ к ускоряющей ВЧ системе, способствует возникновению радиальной компрессии пучка кластерных ионов сходящимся в пространстве к оси зазора мультипольным магнитным полем. Это позволяет дополнительно усилить эффект удержания заряженных частиц на траектории их движения, за счет того, что величина плотности в пространстве этого поля нарастает в направлении от ИИ к ускоряющей ВЧ системе. Соответственно, подбор магнитных свойств постоянных магнитов и их размещение в пространстве путем регулировки расстояния относительно поверхности трубок дрейфа, позволяют оптимизировать условия для ускорения кластерных ионов с различной массой и способствуют расширению диапазона масс ускоряемых кластерных ионов.The proposed arrangement of permanent magnets, with a constantly decreasing distance from the planes of their surfaces to the central longitudinal axis of the beam movement, in the direction from the IS to the accelerating RF system, contributes to the occurrence of radial compression of the cluster ion beam by the multipole magnetic field converging in space to the gap axis. This makes it possible to further enhance the effect of confining charged particles on their trajectory, due to the fact that the density value in the space of this field increases in the direction from the AI to the accelerating RF system. Accordingly, the selection of the magnetic properties of permanent magnets and their placement in space by adjusting the distance relative to the surface of the drift tubes make it possible to optimize the conditions for accelerating cluster ions with different masses and contribute to expanding the range of masses of accelerated cluster ions.
Предложенный способ установки постоянных магнитов относительно трубок дрейфа в зазорах между обечайками приводит к возникновению нового физического свойства, а именно, возникновению радиального градиента плотности мультипольного магнитного поля вдоль всей траектории движения пучка кластеров, в направлении от ИИ к ускоряющей ВЧ системе. Это способствует радиальной компрессии данного пучка на траектории его движения от ИИ к ускоряющей ВЧ системе и уменьшает потери кластеров при вводе их в ускоряющую ВЧ структуру ускорителя.The proposed method of installing permanent magnets relative to the drift tubes in the gaps between the shells leads to the emergence of a new physical property, namely, the emergence of a radial density gradient of the multipole magnetic field along the entire trajectory of the cluster beam, in the direction from the AI to the accelerating RF system. This contributes to the radial compression of this beam on the trajectory of its movement from the AI to the accelerating RF system and reduces the loss of clusters when they are introduced into the accelerating RF structure of the accelerator.
Реализованные в предложенном изобретении фокусировка пучка ионов электрическим полем и его компрессия мультипольным магнитным полем с нарастающей по величине напряженностью позволяют увеличивать апертуры для экстракции заряженных частиц из ИИ и способствуют увеличению числа экстрагируемых кластерных ионов из плазмы ИИ.Implemented in the proposed invention, the focusing of the ion beam by an electric field and its compression by a multipole magnetic field with increasing strength allow increasing the aperture for the extraction of charged particles from the IS and contribute to an increase in the number of extracted cluster ions from the IS plasma.
Перечисленные выше физические явления и особенности конструкции, наряду с многоканальностью предложенного устройства, позволяют увеличить ток пучка кластерных ионов на выходе ускорителя и расширяют границы спектра масс кластеров, для возможности их эффективного ускорения, необходимые для возможности их эффективного ускорения, тем самым, обеспечивая достижение заявленного технического результата изобретения.The physical phenomena and design features listed above, along with the multichannel nature of the proposed device, make it possible to increase the current of the cluster ion beam at the output of the accelerator and expand the boundaries of the mass spectrum of clusters, for the possibility of their effective acceleration, necessary for the possibility of their effective acceleration, thereby ensuring the achievement of the declared technical result of the invention.
Анализ отличительных существенных признаков и появившихся в результате предложенных конструктивных изменений полезных и новых физических свойств, обеспечивших возможность увеличения площади плазменной поверхности для одновременного отбора заряженных частиц из нескольких ИИ, эффективного их удержания на траектории движения и радиальной компрессии пучков с различной массой кластерных ионов, за счет применения оригинальной суперпозиции электрического и магнитного полей в предложенной конфигурации, позволяют считать, что предложенное решение -инжектор для ускорителя кластерных ионов соответствует критериям изобретения.Analysis of the distinctive essential features and useful and new physical properties that appeared as a result of the proposed design changes, which made it possible to increase the plasma surface area for the simultaneous selection of charged particles from several ionizers, their effective retention on the motion trajectory and radial compression of beams with different masses of cluster ions, due to application of the original superposition of electric and magnetic fields in the proposed configuration, allow us to consider that the proposed solution - the injector for the cluster ion accelerator meets the criteria of the invention.
Краткое описание чертежей.Brief description of the drawings.
На рис. 1 представлена структурная схема инжектора для ускорителя кластерных ионов, где:On fig. Figure 1 shows a block diagram of an injector for a cluster ion accelerator, where:
1 - корпус инжектора,1 - injector body,
2 - обечайки из диэлектрического материала,2 - shells made of dielectric material,
3 - тонкостенные металлические трубки дрейфа,3 - thin-walled metal drift tubes,
4 - конфигурация силовых линий электрического поля,4 - configuration of electric field lines,
5 - постоянные магниты,5 - permanent magnets,
6 - конфигурация силовых линий мультипольного магнитного поля,6 - configuration of force lines of the multipole magnetic field,
7 - ускоряющая ВЧ система,7 - accelerating RF system,
8 - блок питания (БП),8 - power supply unit (PSU),
9 - источник кластерных ионов.9 - source of cluster ions.
На рис. 2 показана структура силовых линий магнитного и электрического полей в зазоре между трубками дрейфа, где:On fig. Figure 2 shows the structure of magnetic and electric field lines in the gap between the drift tubes, where:
1 - корпус инжектора (аналогично рис. 1),1 - injector body (similar to Fig. 1),
3 - тонкостенные металлические трубки дрейфа (аналогично рис. 1),3 - thin-walled metal drift tubes (similar to Fig. 1),
4 - конфигурация силовых линий электрического поля (аналогично рис. 1),4 - configuration of electric field lines (similar to Fig. 1),
5 - постоянные магниты (аналогично рис. 1),5 - permanent magnets (similar to Fig. 1),
6 - конфигурация силовых линий мультипольного магнитного поля (аналогично рис. 1).6 - configuration of force lines of the multipole magnetic field (similar to Fig. 1).
Пример реализации.Implementation example.
Представленный в заявке инжектор для ускорителя кластерных ионов обеспечивает формирование и транспортировку пучков кластеров, извлеченных (экстрагированных) из плазмы нескольких ИИ.The injector for the cluster ion accelerator presented in the application provides the formation and transportation of cluster beams extracted (extracted) from the plasma of several ISs.
На рис. 1 и рис. 2 показаны схемы, поясняющие конструкцию и особенности работы инжектора для ускорителя кластерных ионов.On fig. 1 and fig. Figure 2 shows diagrams explaining the design and operation of the injector for the cluster ion accelerator.
Предложенный инжектор состоит из корпуса 1, в который установлены обечайки 2 из диэлектрического материала и в каждой обечайке выполнены апертуры, соосные с соответствующими апертурами в соседних обечайках, диаметры которых уменьшается по направлению от ИИ 9 к ускоряющей ВЧ системе 7. В апертуры всех обечаек установлены тонкостенные металлические трубки дрейфа 3 таким образом, чтобы между соответствующими трубками дрейфа соседних обечаек существовал зазор, и диаметр трубок дрейфа соответствовал диаметру апертур в обечайках. Причем, все трубки дрейфа 3 на каждой обечайке 2 электрически соединены между собой и с отдельным блоком питания (БП) 8. Эти источники электропитания формируют различные по величине электрические напряжения, в результате этого возникает разность электрических потенциалов в зазорах между трубками дрейфа 3 соседних обечаек 2. Наличие разности электрических потенциалов приводит к формированию в зазоре между трубками дрейфа «провисающего» в сторону центральной аксиальной оси зазора электрического поля. Конфигурация силовых линий 4 которого, на примере одного зазора в каждом канале, показана на рис. 1. В остальных зазорах конфигурация силовых линий электрического поля будет аналогичной. Каждая апертура с трубками дрейфа 3 начальной обечайки соединена с отдельным источником кластерных ионов ИИ 9. В зазорах между обечайками 2, вокруг трубок дрейфа 3, симметрично центральной продольной оси зазоров, на одном и том же расстоянии от поверхности трубок дрейфа установлены шесть постоянных магнитов 5. Эти магниты электрически изолированы от трубок дрейфа 3 и сходятся в зазорах между обечайками 2, в направлении от ИИ 9 к ускоряющей ВЧ системе 7, от предшествующей по ходу, трубки дрейфа 3, к последующей трубке дрейфа 3 другой обечайки. Постоянные магниты 5 сдвинуты в пространстве по окружности относительно друг друга на 60 градусов таким образом, чтобы внутри трубок дрейфа и в зазоре между ними существовало мультипольное магнитное поле, плоскость силовых линий 6 которого в пространстве перпендикулярна электрическому полю 4, рис. 2. Конфигурация силовых линий электрического поля 4 и мультипольного магнитного поля 6, величина которого на центральной аксиальной оси зазора между трубками дрейфа 3 равна нулю и резко нарастает вблизи поверхности магнитов бив зазорах между ними, показана на рис. 2.The proposed injector consists of a
В результате применения предложенной суперпозиции силовых полей, кластерные ионы пучка, инжектированного ИИ, магнитным давлением с нарастающим радиальным градиентом от центра к периферии вытесняются в область аксиальной центральной оси зазоров в каждом канале. В приосевой области зазоров они ускоряются и дополнительно фокусируются «провисающим» в сторону центральной оси электрическим полем. Данные факторы заставляют пучок кластерных ионов занимать пространственное положение канала для дрейфа в области центральной оси зазоров, свободной от магнитного поля. Регулировкой положения секступольных блоков из постоянных магнитов относительно расстояния до трубок дрейфа на протяжении каждого отдельного канала, возможно корректировать направление движения инжектированных ИИ пучков кластерных ионов по этому каналу в требуемом направлении. Мультипольное магнитное поле 6, проникающее внутрь трубок дрейфа 3, способствует уменьшению радиального разлета заряженных частиц внутри этих трубок дрейфа, рис. 1.As a result of applying the proposed superposition of force fields, the cluster ions of the beam injected by IS are displaced by magnetic pressure with an increasing radial gradient from the center to the periphery into the region of the axial central axis of the gaps in each channel. In the paraxial region of the gaps, they are accelerated and additionally focused by the electric field “sagging” towards the central axis. These factors cause the beam of cluster ions to occupy the spatial position of the drift channel in the region of the central axis of the gaps, which is free from the magnetic field. By adjusting the position of the sextupole blocks of permanent magnets relative to the distance to the drift tubes along each individual channel, it is possible to correct the direction of movement of the cluster ion beams injected by the AI along this channel in the required direction. The multipole
За счет применения способа увеличения тока пучка кластерных ионов, реализованная путем предложенных особенностей конструкции инжектора для ускорителя кластерных ионов, заключается в наличии градиента плотности мультипольного магнитного поля в направлении от ИИ к ускоряющей ВЧ структуре, создающего поперечную компрессию пучка в данном направлении. Величину этой компрессии можно изменять путем подбора постоянных магнитов с различными магнитными характеристиками и установкой их на различном расстоянии от трубок дрейфа в зазорах между обечайками, в зависимости от типа ускоряемых кластеров. Поскольку диаметры соответствующих трубок дрейфа 3 в соседних обечайках уменьшаются по ходу пучка кластеров, то поверхности постоянных магнитов 4 в зазорах между обечайками 2, также приближаются к центральной аксиальной оси зазора между трубками дрейфа 3, уменьшая в направлении к этой оси диаметр пространства занимаемого магнитным полем, рис. 1. Возникающее в результате этого «обжатие» пучка происходит на всей протяженности его траектории, в направлении от ИИ 9 к ускоряющей ВЧ системе 7 и во всех каналах, рис. 1. Увеличение плотности магнитного поля в приосевой области пространства по данному направлению способствует более эффективному вытеснению кластерных ионов из зоны периферии в область центральной аксиальной оси зазора между трубками дрейфа. Этот эффект усиливается по мере приближения кластеров к ускоряющей ВЧ системе, способствуя уменьшению поперечных размеров ионного пучка и росту плотности кластерных ионов в пучке на выходе каждого канала.Due to the application of the method of increasing the current of the cluster ion beam, implemented by the proposed design features of the injector for the cluster ion accelerator, it consists in the presence of a density gradient of the multipole magnetic field in the direction from the IS to the accelerating RF structure, which creates a transverse beam compression in this direction. The value of this compression can be changed by selecting permanent magnets with different magnetic characteristics and installing them at different distances from the drift tubes in the gaps between the shells, depending on the type of accelerated clusters. Since the diameters of the
Перечисленные выше факторы способствуют инжекции кластеров и позволяют эффективно осуществлять ввод кластеров, экстрагированных из разнесенных в пространстве ИИ, в ускоряющую ВЧ систему ускорителя.The factors listed above contribute to the injection of clusters and make it possible to effectively introduce clusters extracted from spaced AIs into the accelerating RF system of the accelerator.
Предложенный инжектор для ускорителя кластерных ионов обеспечивает одновременную экстракцию заряженных частиц из плазмы нескольких источников кластерных ионов, формирование их в ионные пучки, ускорение, компрессию этих пучков и их ввод в ускоряющую ВЧ структуру ускорителя. Конструкция инжектора содержит несколько разнесенных в пространстве каналов, входная апертура каждого из которых соединена с отдельным источником кластерных ионов. Процесс формирования ионного пучка, ускорения, фокусировки и изменения траектории его движения для заряженных частиц с большой массой и малым электрическим зарядом при помощи электрического поля связан с необходимостью создания больших напряженностей такого поля. Для более эффективной реализации формирования и ускорения пучков кластерных ионов, в настоящем инжекторе использована комбинация скрещенных силовых полей -аксиально-симметричного электрического поля и мультипольного магнитного поля со сложной конфигурацией силовых линий, рис. 2. Примененная комбинация полей такого типа позволяет как ускорять, так и эффективно удерживать на заданной траектории движения, а также осуществлять радиальную компрессию пучков кластерных ионов в каждом канале для кластеров, обладающих широким диапазоном масс и малым зарядом.The proposed injector for the cluster ion accelerator provides simultaneous extraction of charged particles from the plasma of several sources of cluster ions, their formation into ion beams, acceleration, compression of these beams and their introduction into the accelerating RF structure of the accelerator. The design of the injector contains several channels separated in space, the entrance aperture of each of which is connected to a separate source of cluster ions. The process of forming an ion beam, accelerating, focusing and changing the trajectory of its movement for charged particles with a large mass and a small electric charge using an electric field is associated with the need to create high strengths of such a field. For a more efficient implementation of the formation and acceleration of cluster ion beams, this injector uses a combination of crossed force fields - an axially symmetric electric field and a multipole magnetic field with a complex configuration of field lines, fig. 2. The applied combination of fields of this type makes it possible both to accelerate and effectively keep the movement on a given trajectory, as well as to perform radial compression of cluster ion beams in each channel for clusters with a wide mass range and a small charge.
Инжектор для ускорителя кластерных ионов может быть использован в области ускорения заряженных частиц с большой массой и с малым электрическим зарядом, а именно, при создании ускорителей кластерных ионов для применения в областях ядерной энергетики, решения проблем управляемого термоядерного синтеза и для изучения свойств материи при сверхвысокой плотности энергии. В инжекторе для ускорителя кластерных ионов реализована одновременная экстракции заряженных частиц из плазмы нескольких источников кластерных ионов по нескольким каналам, формирование ионных пучков, ускорение их, компрессию и ввод в ускоряющую ВЧ структуру ускорителя. Данный инжектор содержит несколько разнесенных в пространстве каналов, входная апертура каждого из которых соединена с отдельным источником кластерных ионов. Процесс формирования ионного пучка, ускорения, фокусировки и изменения траектории его движения, для заряженных частиц с большой массой и малым электрическим зарядом при помощи только электрического поля, связан с необходимостью создания больших напряженностей такого поля. Для более эффективной реализации процессов формовки и ускорения пучков кластерных ионов, в настоящем инжекторе использована комбинация скрещенных силовых полей: аксиально-симметричного электрического поля и мультипольного магнитного поля со сложной конфигурацией силовых линий. Примененная комбинация полей такого типа, позволяет как ускорять, так и эффективно удерживать на заданной траектории движения, а также осуществлять радиальную компрессию пучков кластерных ионов в каждом канале для кластеров, обладающих широким диапазоном масс и малым зарядом. Суперпозиция электрического поля и мультипольного магнитного поля, позволяет уменьшать поперечные размеры ионного пучка, увеличивать площади апертур для экстракции кластерных ионов из ИИ и способствует увеличению тока в пучке кластерных ионов с различной массой на выходе ускорителя.The injector for the cluster ion accelerator can be used in the field of acceleration of charged particles with a large mass and with a small electric charge, namely, when creating cluster ion accelerators for use in the fields of nuclear energy, solving problems of controlled thermonuclear fusion and for studying the properties of matter at ultrahigh density energy. In the injector for the cluster ion accelerator, the simultaneous extraction of charged particles from the plasma of several sources of cluster ions through several channels, the formation of ion beams, their acceleration, compression, and introduction into the accelerating RF structure of the accelerator are implemented. This injector contains several channels separated in space, the entrance aperture of each of which is connected to a separate source of cluster ions. The process of forming an ion beam, accelerating, focusing and changing the trajectory of its movement, for charged particles with a large mass and a small electric charge using only an electric field, is associated with the need to create high strengths of such a field. For a more efficient implementation of the processes of forming and accelerating cluster ion beams, this injector uses a combination of crossed force fields: an axially symmetric electric field and a multipole magnetic field with a complex configuration of field lines. The applied combination of fields of this type makes it possible to both accelerate and effectively keep motion on a given trajectory, as well as to perform radial compression of cluster ion beams in each channel for clusters with a wide mass range and low charge. The superposition of the electric field and the multipole magnetic field makes it possible to reduce the transverse dimensions of the ion beam, to increase the aperture areas for the extraction of cluster ions from the IS, and to increase the current in the beam of cluster ions with different masses at the output of the accelerator.
В предложенном примере инжектор установлен в ускорителе между генераторами плазмы и его ускоряющей ВЧ системой, рис. 1, и работает следующим образом. Кластерные ионы, экстрагированные из плазмы ИИ 9, попадают на вход каналов данного инжектора через ускоряющие трубки 3, рис. 1. Тонкостенные металлические трубки 3, установлены в апертурах обечаек 2, которые в данном устройстве выполненных из керамики и размещены в корпусе 1, в пространстве между ИИ 9 и входом в ускоряющую ВЧ систему 7, рис. 1. Диэлектрический материал обечаек 2 позволяет локализовать электрическое поле строго в зазорах между трубками дрейфа 3. Все трубки дрейфа 3, находящиеся на одной обечайке 2, электрически соединены между собой и с отдельным источником электропитания стандартного типа (БП) 8, рис. 1. Источники электропитания 8 генерируют электрические потенциалы различной величины. В результате их различия, в зазорах между трубками дрейфа 3 соседних обечаек 2, возникает ускоряющее пучок кластерных ионов электрическое поле, силовые линии 4 которого «провисают» к центральной продольной оси этих зазоров, рис. 1. На данном рисунке показан ход силовых линий электрического поля только для одного зазора в каналах. В других зазорах между соответствующими трубками дрейфа 3 он будет аналогичным.In the proposed example, the injector is installed in the accelerator between the plasma generators and its accelerating RF system, fig. 1 and works as follows. Cluster ions extracted from the plasma of II 9 enter the inlet of the channels of this injector through accelerating
Размеры апертур в трубках дрейфа 3, соединенные с ИИ 9 во всех каналах начальной обечайки, превосходят соответствующие параметры апертур в трубках дрейфа последующих обечаек, в том числе и трубок дрейфа, соединенных с ускоряющей ВЧ системой 7. Реализованная в конструкции данного инжектора архитектура каналов позволяет увеличивать площадь для экстракции кластерных ионов из плазмы ИИ 9 и способствует росту величины тока пучка кластеров в каждом канале. Последовательное уменьшение площади апертур в трубках дрейфа 3 до необходимых значений, требуется для согласования параметров пучка кластеров на выходе каждого канала с величиной апертуры соответствующего канала в ускоряющей ВЧ системе 7. Реальные габариты ИИ 9, зачастую, требуют взаимного разнесения в пространстве апертур на входных трубках дрейфа 3 начальной обечайки 2, рис. 1. Это диктует необходимость соответствующей корректировки траектории движения заряженных частиц в каждом отдельно взятом канале.The dimensions of the apertures in the
Поскольку подвижность кластерных ионов в электрическом поле, из-за их большой массы и малого электрического заряда, мала, то для эффективного удержания кластеров на заданной траектории движения, ее коррекции и уменьшения геометрических размеров пучка кластерных ионов в каждом канале требуется производить не только его фокусировку, но и радиальное обжатие пучка кластеров. Для этого в предложенном изобретении, кроме фокусировки заряженных частиц электрическим полем, для усиления силового воздействия на них в трубках дрейфа 3 и в зазорах между соответствующими трубками дрейфа создано мультипольное магнитное поле 6, рис. 1. Данное магнитное поле формируется в каждом зазоре между трубками дрейфа 3 соседних обечаек 2, при помощи секступольного блока постоянных магнитов 5. Во всех каналах постоянные магниты 5 электрически изолированы от трубок дрейфа 3, установлены между соседними обечайками 2, на одинаковом расстоянии от стенок трубок дрейфа 3, рис. 1. В каждом секступольном блоке постоянные магниты 5 сдвинуты по окружности относительно друг друга на 60 градусов таким образом, чтобы внутри всех трубок дрейфа 3, и в зазорах между ними было сформировано мультипольное магнитное поле со сложной конфигурацией силовых линий 6, рис. 2. Как видно на рис. 2, величина данного магнитного поля 6 на центральной продольной оси зазоров близка к нулю и резко нарастает вблизи поверхности постоянных магнитов бив зазорах между этими магнитами. Поскольку плоскость в которой лежат силовые линий магнитного поля 6 перпендикулярна силовым линиям электрического поля 4, рис. 2, то радиальное отклонение кластеров от основного направления движения, задаваемого электрическим полем 4, компенсируется силами радиального давления магнитного поля 6, возникающего из-за наличия радиального градиента плотности мультипольного магнитного поля 6 в зазорах между и внутри трубок дрейфа 3.Since the mobility of cluster ions in an electric field is low due to their large mass and low electric charge, then in order to effectively keep the clusters on a given trajectory of motion, correct it, and reduce the geometric dimensions of the beam of cluster ions in each channel, it is required not only to focus it, but but also the radial compression of the cluster beam. To do this, in the proposed invention, in addition to focusing charged particles by an electric field, to enhance the force effect on them in the
Поскольку диаметры трубок дрейфа 3 соседних обечаек 2 уменьшаются в направлении от ИИ 9 к ускоряющей ВЧ системе 7, рис. 1, а противоположные торцевые концы постоянных магнитов 5 установлены на одинаковом поперечном расстоянии от боковой поверхности соответствующих трубок дрейфа 3, то в результате, расстояние между центральной продольной осью зазоров в каналах и поверхностью магнитов секступоля уменьшается в том же направлении, рис. 1. Примененное конструктивное решение приводит к возникновению нового физического свойства, способствующего удерживанию на траектории движения пучка кластерных ионов, а именно, росту величины пространственной плотности мультипольного магнитного поля в направлении от трубок дрейфа начальной обечайки к трубкам дрейфа последующих обечаек, во всех зазорах между обечайками. Такой характер изменения величины мультикаспового магнитного поля между обечайками в направлении от ИИ к ускоряющей ВЧ системе, способствует возникновению радиальной компрессии пучка кластеров на траектории его движения по каналу. Это приводит к соответствующему росту плотности заряженных частиц в пучке кластеров при уменьшении площади его поперечного сечения.Since the diameters of
Ансамбль кластерных ионов, инжектированных ИИ 9, продрейфовав через трубку дрейфа 3 в начальной обечайке 2, ускоряется в электрическом поле 4 зазора между данной трубкой дрейфа и трубкой дрейфа в следующей обечайке, рис. 1. В этом же зазоре, пучок кластеров подвергается электростатической фокусировке, возникающей в результате провисания силовых линий электрического поля 4 в направлении центральной аксиальной оси зазора, рис. 1. Аналогичный эффект с электростатической фокусировкой действует и в других зазорах для всех каналов.The ensemble of cluster ions injected by PS 9, having drifted through the
Способы фокусировки пучков заряженных частиц электрическим полем широко известны в ускорительной технике (см, например, С.И. Молоковский, А.Д. Сушков. Интенсивные электронные и ионные пучки. ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ. Москва. 1991. С. 28-91). Иммерсионный способ электростатической фокусировки действует в результате симметричного провисания сходящихся к центральной оси зазора силовых линий электрического поля в области между трубками дрейфа. Суть эффекта данной фокусировки в том, что на ионы, вышедшие из первой трубки дрейфа, электрическое поле действует с силами различной направленности при пролете первой и второй половинок этого зазора. Совпадающая с направлением центральной аксиальной оси зазора составляющая этой силы ускоряет ионы на всем протяжении зазора. Ее составляющая, ортогональная данной оси, на первой половине зазора смещает ионы в сторону его центральной оси, вызывая эффект фокусировки. На второй половине данного зазора она отклоняет ионы в противоположную сторону, дефокусируя пучок. Так как кластерные ионы в первой половине зазора обладают меньшей скоростью, чем во второй, и затрачивают на ее прохождение большее время, чем время прохождения второй половины зазора, которую они проходят с уже большей скоростью, постоянно испытывая ускорение на всем промежутке между трубками дрейфа от действия осевой составляющей силы, то в результате суммарного действия перечисленных выше факторов в зазоре между смежными трубками дрейфа, возникает эффект фокусировки пучка заряженных частиц. Разность электрических потенциалов в зазорах между трубками дрейфа выбирается такой величины, чтобы обеспечить максимально возможное попадание кластеров в соответствующую трубку дрейфа последующей обечайки. Такая электростатическая фокусировка повторяется во всех зазорах каждого канала и действует во всех каналах данного изобретения.Methods for focusing beams of charged particles by an electric field are widely known in accelerator technology (see, for example, S.I. Molokovskii, A.D. Sushkov. Intense electron and ion beams. ENERGOATOMIZDAT. Moscow. 1991. S. 28-91). The immersion method of electrostatic focusing operates as a result of symmetrical sagging of the electric field lines converging towards the central axis of the gap in the region between the drift tubes. The essence of the effect of this focusing is that the electric field acts on the ions emerging from the first drift tube with forces of different directions during the passage of the first and second halves of this gap. The component of this force, coinciding with the direction of the central axial axis of the gap, accelerates the ions throughout the gap. Its component, orthogonal to this axis, in the first half of the gap shifts the ions towards its central axis, causing the focusing effect. In the second half of this gap, it deflects ions in the opposite direction, defocusing the beam. Since the cluster ions in the first half of the gap have a lower speed than in the second, and spend more time passing through it than the time it takes to pass through the second half of the gap, which they pass at a higher speed, constantly experiencing acceleration over the entire gap between the drift tubes from the action of axial component of the force, then as a result of the total action of the above factors in the gap between adjacent drift tubes, the effect of focusing the beam of charged particles occurs. The electric potential difference in the gaps between the drift tubes is chosen to be such that the maximum possible hit of the clusters in the corresponding drift tube of the subsequent shell is chosen. This electrostatic focusing is repeated in all gaps of each channel and is effective in all channels of the present invention.
Анализ возможности использования одноканальных ускорителей с ВЧ электрическим полем для фокусировки, транспортировки, и ускорения кластерных ионов показал, что их эффективное применение возможно для кластеров с величиной массы до ~103 атомных единиц массы (а.е.м.) (В.В. Окороков, И.В. Чувило. ИТЭФ Препринт №86-108. М. 1986. Е.В. Майоров, В.В. Окороков. ПТЭ №5, с. 5-8. 2000). Для фокусировки и транспортировки более тяжелых кластерных ионов требуется электрическое поле с большой величиной напряженности, создать которое в инжекторе технически затруднительно.An analysis of the possibility of using single-channel accelerators with an HF electric field for focusing, transporting, and accelerating cluster ions showed that their effective use is possible for clusters with masses up to ~10 3 atomic mass units (a.m.u.) (V.V. Okorokov, I. V. Chuvilo, ITEP Preprint No. 86-108, M. 1986. E. V. Maiorov, V. V. Okorokov, PTE No. 5, pp. 5-8, 2000). Focusing and transporting heavier cluster ions requires an electric field with a high strength, which is technically difficult to create in an injector.
Практика показывает, что одного метода электрической фокусировки для эффективного удерживания на требуемой траектории движения частиц с массой более 103 а.е.м и малым электрическим зарядом недостаточно. В настоящем изобретении использован способ для удержания кластеров от радиального разлета и продольной фокусировки пучка с дополнительной помощью мультипольного магнитного поля сложной конфигурации.Practice shows that one method of electric focusing is not enough to effectively keep particles with a mass of more than 10 3 a.m.u. and a small electric charge on the required trajectory. In the present invention, a method is used to keep clusters from radial expansion and longitudinal focusing of the beam with the additional help of a multipole magnetic field of complex configuration.
Как известно для удерживания заряженных частиц в заданной области применяется мультипольное магнитное поле с нарастающей по радиусу величиной напряженности поля в направлении от центра области к периферии (Семашко Н.Н., Владимиров А.Н., Кузнецов В.В. и др. Инжекторы быстрых атомов водорода. М.: Энергоиздат, 1981. С. 86-88). Движущаяся перпендикулярно силовым линиям мультипольного магнитного поля заряженная частица после ряда осцилляций выталкивается магнитным давлением из области периферии в область, свободную от магнитного поля.As is known, to keep charged particles in a given region, a multipole magnetic field is used with an increasing value of the field strength along the radius in the direction from the center of the region to the periphery (Semashko N.N., Vladimirov A.N., Kuznetsov V.V., etc. Fast injectors Hydrogen Atoms, Moscow: Energoizdat, 1981, pp. 86-88). After a series of oscillations, a charged particle moving perpendicular to the lines of force of a multipole magnetic field is pushed out by magnetic pressure from the periphery to a region free from the magnetic field.
Частицы с зарядом q при движении со скоростью 
Согласно этой формуле, кластерные ионы из ИИ, прошедшие через трубку дрейфа в начальной обечайке, ускоряясь в зазорах между последующими трубками дрейфа, будут всегда двигаться перпендикулярно мультипольному магнитному полю и, согласно (1) под действием нарастающей величины силы F вытесняться в центральную область, где величина этого поля минимальна. Совместное действие двух сил: ускоряющей пучок зарядов силы электрического поля и давления на его кластеры с силой F магнитным полем В, ортогональной центру области свободной от магнитного поля, с учетом нарастающей по мере движения заряженной частицы от ИИ к ускоряющей ВЧ системе величине скорости
Реализованное в предложенном изобретении расположение магнитов 5 с последующим приближением их поверхности к продольной оси пространства, свободного от магнитного поля, рис. 1, формирует градиент увеличения В (индукции) такого магнитного поля в каждом канале по направлению от ИИ 9 к ускоряющей ВЧ системе 7. Наличие такого градиента, наряду с ростом величины
Раскрытые в предложенном изобретении особенности конструкции инжектора для ускорения кластерных ионов и реализованный с их помощью способ одновременной экстракции кластерных ионов в режим ускорения с большой площади плазменной поверхности из нескольких ИИ, их ускорение, фокусировка, удерживание на различных траекториях движения в пространстве и радиальная компрессия с увеличение плотности заряженных частиц в пучке, наряду с многоканальностью предлагаемого инжектора для ускорителя кластерных ионов, являются факторами, которые:The design features of the injector for accelerating cluster ions disclosed in the proposed invention and the method implemented with their help for simultaneous extraction of cluster ions into the acceleration mode from a large area of the plasma surface from several pulse generators, their acceleration, focusing, holding on different trajectories of movement in space and radial compression with increasing density of charged particles in the beam, along with the multichannel nature of the proposed injector for the cluster ion accelerator, are factors that:
- способствуют увеличению тока пучка кластерных ионов на выходе ускорителя, усилению их фокусировки и удержанию от потерь кластеров при транспортировке;- contribute to increasing the beam current of cluster ions at the output of the accelerator, enhancing their focusing and keeping clusters from loss during transportation;
- расширяют диапазон масс кластеров, пригодных для их эффективного ускорения, тем самым обеспечивая оптимальные параметры для их ввода из инжектора для ускорителя кластерных ионов в ускоряющую ВЧ систему ускорителя.- expand the range of masses of clusters suitable for their effective acceleration, thereby providing optimal parameters for their introduction from the injector for the cluster ion accelerator into the accelerating RF system of the accelerator.
Конструкция инжектора для ускорителя кластерных ионов отличается простотой изготовления и надежностью работы.The design of the injector for the cluster ion accelerator is characterized by ease of manufacture and reliable operation.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021114780A RU2764147C1 (en) | 2021-05-25 | 2021-05-25 | Injector for cluster ion accelerator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021114780A RU2764147C1 (en) | 2021-05-25 | 2021-05-25 | Injector for cluster ion accelerator |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2764147C1 true RU2764147C1 (en) | 2022-01-13 |
Family
ID=80040354
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2021114780A RU2764147C1 (en) | 2021-05-25 | 2021-05-25 | Injector for cluster ion accelerator |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2764147C1 (en) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20120280640A1 (en) * | 2011-05-04 | 2012-11-08 | Moeller Marvin | Linear accelerator |
| 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 |
| RU2567741C1 (en) * | 2014-06-23 | 2015-11-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" "Государственный научный центр Российской Федерации - Институт Теоретической и Экспериментальной Физики" | Septate waveguide with focusing magnetic field |
| 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
- 2021-05-25 RU RU2021114780A patent/RU2764147C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9131594B2 (en) * | 2010-02-24 | 2015-09-08 | Siemens Aktiengesellschaft | RF resonator cavity and accelerator |
| US20120280640A1 (en) * | 2011-05-04 | 2012-11-08 | Moeller Marvin | Linear accelerator |
| 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 |
| RU2567741C1 (en) * | 2014-06-23 | 2015-11-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" "Государственный научный центр Российской Федерации - Институт Теоретической и Экспериментальной Физики" | Septate waveguide with focusing magnetic field |
| 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, ISBN 978-3-95450-197-7, p. 304-307. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4916097B2 (en) | Closed electron drift plasma accelerator | |
| Skalyga et al. | New progress of high current gasdynamic ion source | |
| Takeiri | Negative ion source development for fusion application | |
| Faircloth | Ion sources for high-power hadron accelerators | |
| WO1993022789A1 (en) | A negative ion beam injection apparatus | |
| Septier | Production of ion beams of high intensity | |
| JP2023537472A (en) | Linear accelerator with ion implantation system and novel accelerator stage configuration | |
| Goncharov et al. | Focusing of high-current, large-area, heavy-ion beams with an electrostatic plasma lens | |
| Wang et al. | Mechanism of electron cloud clearing in the accumulator ring of the Spallation Neutron Source | |
| RU2764147C1 (en) | Injector for cluster ion accelerator | |
| RU149963U1 (en) | ION TRIODE FOR NEUTRON GENERATION | |
| RU2760276C1 (en) | Method for increasing the cluster ion beam current | |
| Goncharov | Recent development of plasma optical systems | |
| Habs et al. | The Rex-ISOLDE Project | |
| Faircloth | Particle sources | |
| US7825601B2 (en) | Axial Hall accelerator with solenoid field | |
| Bryzgunov et al. | Efficiency improvement of an electron collector intended for electron cooling systems using a Wien filter | |
| RU2448387C2 (en) | Method to produce high-charge ion beam | |
| RU207660U1 (en) | MULTIAPERTURE MATCHING CHANNEL WITH RADIAL COMPRESSION OF ION BEAMS | |
| RU208650U1 (en) | MULTI-APERTURE CLUSTER ION ACCELERATOR | |
| Hamilton et al. | Multimomentum 650 mA ion source | |
| Sadeghi et al. | Ion acceleration mechanism in plasma focus devices | |
| Annaluru et al. | 1+/N+ method: numerical simulation studies and experimental measurements on the SPIRAL1 ECR Charge Breeder | |
| Rashid et al. | Sufficient cusp magnetic field for designing a novel electron cyclotron resonance ion source | |
| Kwan | High current injectors for heavy ion driven inertial fusion |