[1]Область техники, к которой относится изобретение
[2]Изобретение относится к ускорительной технике.
[4]Наиболее близким к заявленному изобретению является аналог /1/, в котором в магнитном поле типа "касп" формируется плотное кольцо электронов, вращающихся с релятивистскими скоростями. Поступательная скорость электронного кольца вдоль его оси после "каспа" - нерелятивистская, что позволяет захватить его в стационарную магнитную ловушку с помощью тормозящего резистивного экрана. Во втором близком аналоге /2/ кольцо формируется в магнитной ловушке и сжимается в нарастающем во времени магнитном поле. Остановившееся кольцо заполняется ионами, с использованием ионизации атомов остаточного газа в камере ускорителя или специальной газовой струи /2/. Вывод электрон-ионного кольца из ловушки осуществляется путем снятия одного из барьеров магнитной ловушки, которое сопровождается уменьшением глубины эффективной потенциальной ямы до нуля. Затем кольцо попадает в область спадающего вдоль оси движения магнитного поля и ускоряется. Если электроны и ионы движутся с одной скоростью в продольном направлении, то получается выигрыш коллективного ускорения ионов по сравнению с прямым их ускорением во внешнем электромагнитном поле.
[5]Недостатком захвата сильноточного электронного пучка в стационарную магнитную ловушку в аналоге /1/ являются большие потери пучка, обусловленные большим ускорением электронов собственным зарядом пучка на фронтах импульса тока. Вторым недостатком является использование в работах /1, 2/, а также в других аналогичных работах (например, в /3/), ускорения электрон-ионного кольца в спадающем магнитном поле без внешней фокусировки электронов в направлении движения кольца. Как показали эксперименты в /2, 3/, компактность кольца нарушается на небольшой длине ускорения, электроны убегают вперед от ионов, и ионы не приобретают значительной энергии.
[6]Разрыв электронной и ионной компонент характерен также для коллективного метода ускорения ионов в прямолинейных сильноточных электронных пучках при формировании виртуального катода. Поэтому для прямолинейных сильноточных пучков появились предложения и успешные эксперименты по лазерному управлению движением фронта электронного пучка в коллективном ускорителе /3-5/, а также предложение управляемого ступенчатого коллективного ускорителя с использованием отдельных источников сильноточных пучков на каждой ступени /6/.
[7]Недостатком способов управляемого коллективного ускорения /3-6/ является необходимость использования мощных релятивистских электронных пучков (с токами в несколько десятков кА), большие потери электронов при ускорении ионов и небольшая частота повторений циклов ускорения.
[9]Основа предлагаемого решения проблемы управляемого коллективного ускорения ионов состоит в том, что набор энергии ионов осуществляется за счет большого собственного электрического поля электронного сгустка, а фокусировка электронного сгустка в направлении ускорения осуществляется за счет управляемого движения магнитной потенциальной ямы.
[10]Известные способы коллективного ускорения ионов основаны на использовании кольцевых или прямолинейных сильноточных электронных пучков /2-3/. Основные трудности коллективного ускорения ионов электронными кольцами связаны с требованиями устойчивости колец при их формировании и сохранением целостности электрон-ионного кольца при ускорении. Например, эксперименты в Гархинге (Германия) показали, что совместное движение электронных и ионных колец срывается на длине в несколько сантиметров. Электроны вырываются вперед и не ускоряют ионы. Протоны приобретают энергию около 200 кэВ /3/. Технические трудности обеспечения совместного ускорения электронов и ионов обусловлены необходимостью выдерживать труднореализуемый относительный градиент ведущего магнитного поля на уровне 10-4 см-1.
[11]В предлагаемом подходе решение проблемы целостности электрон-ионного сгустка состоит в том, что движение электронного сгустка управляется системой витков с программируемыми импульсными токами таким образом, чтобы обеспечить в среднем синхронное продвижение сгустков вдоль системы витков с набором энергии ионов на каждом дискретном шаге по виткам.
[12]Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.
[13]Возможность осуществления предлагаемого способа управляемого коллективного ускорения ионов электронными сгустками с использованием пикосекундных релятивистских электронных пучков /7/ показана в численном эксперименте на основе программного комплекса КАРАТ /8/. Принципиальная схема установки для управляемого ускорения ионов показана на Рис.1. На рисунке указаны тонкостенный трубчатый катод с радиусом 30 мм и два встречно включенных соленоида, радиус соленоидов - 50 мм. Катод расположен в области однородного продольного магнитного поля с индукцией 2 кГс. В промежутке между соленоидами создается магнитное поле с преимущественно радиальными силовыми линиями магнитного поля - область "каспа". Распределение аксиальной компоненты магнитного поля вблизи оси показано на Рис.2.
[14]В численном эксперименте электроны инжектировались с кромки катода толщиной 100 мкм на радиусе 3 см в аксиальном направлении с энергией ускоренных электронов - 2.1 МэВ. Длительность токового импульса 0.8 нс, ток - 1 кА, что соответствует 5·1012 частицам в электронном сгустке. В области за "каспом" продольная скорость электронов существенно уменьшается и формируется сгусток электронов, вращающихся с релятивистскими скоростями. Релятивистское вращение сгустка ослабляет эффект ускорения головной части сгустка, связанный с его большим пространственным зарядом /7/.
[15]При включении токового витка, расположенного на расстоянии ~ 18 см от центра "каспа", образуется магнитная ловушка, в которую захватывается электронный сгусток. Предварительно, перед инжекцией электронов в области, где формируется захваченный электронный сгусток, создается сгусток разреженной водородной плазмы, представленный при моделировании в плоскости R-Z в виде прямоугольника 1×15 см и среднем радиусе - 2.5 см. Плотность плазмы - 1.8·109 см-3, что соответствует числу ионов ~10% от числа инжектированных с катода электронов. При захвате кольца в магнитную ловушку электроны плазмы покидают плазменный сгусток под действием собственного поля инжектированных с катода электронов. Таким образом, в магнитной ловушке остается захваченный сгусток вращающихся релятивистских электронов и ионная компонента плазмы, которая захватывается собственным электрическим полем пространственного заряда электронов. Для увеличения плотности электронного сгустка с целью повышения ускоряющих ионы полей проводилось продольное его сжатие путем включения соседних к барьерным витков.
[16]Захваченный таким образом электронный сгусток можно перемещать вдоль оси симметрии системы, двигая в пространстве магнитную яму, в которой он находится. Такое движение магнитной ямы обеспечивается путем последовательной запитки витков, образующих магнитную ловушку. При моделировании витки радиусом 4,75 см были расставлены вдоль оси ускорения через 3 см друг от друга. Для перемещения сгустка электронов на один виток снимается ток в переднем по направлению движения сгустка витке и запитывается следующий после него виток. При этом ток в заднем витке временно удваивается для придания дополнительного импульса электронному сгустку. Характерное время запитки витков ~ 5 нс. Электронное кольцо перемещается вслед за ямой и останавливается в ней на некоторое время для ускорения ионов. Затем описанный процесс повторяется. Длительность каждого такого цикла постепенно уменьшается от ~ 8 нс в начале ускорения до ~1 нс через 40 нс после начала ускорения. Ионы плазмы при этом тянутся за электронным сгустком, постепенно ускоряясь с темпом набора средней энергии ~ 3 МэВ/м.
[17]Основные результаты численного эксперимента иллюстрируются рисунками 3, 4. На Рис.3 показаны по строке зависимости от продольной координаты радиусов случайной выборки частиц R, энергии Е, продольной βz и азимутальной βφ скоростей частиц (в единицах скорости света). На рисунке ионам соответствует красный цвет, электронам - синий. Три строки соответствуют трем характерным моментам времени - началу, средине и концу процесса ускорения.
[18]Главный вывод, который можно сделать из анализа динамики частиц по первой колонке: в численном эксперименте реализуется коллективное ускорение ионов на большой длине ускорения при удержании электронов в движущейся эффективной внешней потенциальной яме. Потери ионов при ускорении незначительные. Электрон-ионный сгусток геометрически представляет собой полый цилиндр длиной около 10 см и внутренним и внешним радиусами соответственно 2-3 см.
[19]Поскольку ускоренное движение внешней потенциальной ямы синхронизовано с движением ионов, то ионы приобретают энергию с большим темпом ускорения - вторая колонка Рис.3. Третья колонка демонстрирует синхронное в среднем движение ионов и электронов. Результаты четвертой колонки показывают релятивистское вращение электронного сгустка, благодаря которому ослабляется расталкивание электронов в продольном направлении.
[20]Рис.4 дает возможность оценить темп набора энергии и энергетический разброс коллективно ускоренных ионов.
[21]Таким образом, численный эксперимент показал работоспособность рассматриваемого управляемого коллективного метода ускорения ионов электронными сгустками с использованием пикосекундных релятивистских электронных пучков. В отличие от известных коллективных методов ускорения предлагаемый метод позволяет избежать разрыва электронной и ионной компонент сгустков и срыва ускорения ионов, а также развития многочисленных неустойчивостей, т.к. длительность цикла ускорения находится в наносекундном диапазоне. Использование пикосекундных сильноточных электронных пучков дает возможность получить большую цикличность работы и компактность ускорителя. Достоинства нового метода связаны с возможностью ускорения большого количества ионов в цикле (~5·1011) при короткой длительности импульса и возможностью ускорения ионов на большой длине. Такой ускоритель должен представлять интерес для различных приложений.
[22]Рис.1. Принципиальная схема установки для управляемого коллективного ускорения ионов: 1 - катод, 2 - фольга, 3 - система витков с импульсной запиткой, 4 - источник питания диода, 5 - система задержек для последовательной запитки витков, 6 - источники питания витков, 7 - электронно-ионный сгусток, 8 - система соленоидов.
[23]На рисунке указаны тонкостенный трубчатый катод с радиусом 30 мм и 2 встречно включенных соленоида, радиус соленоидов - 50 мм. Катод расположен в области однородного продольного магнитного поля с индукцией ≈2 кГс. В промежутке между соленоидами создается магнитное поле с преимущественно радиальными силовыми линиями магнитного поля - область "каспа". На рисунке также показаны управляемые токовые витки с элементами системы питания и управления.
[24]Библиографические данные
[25]1. С.D.Striffler, R.A.Meger, J.Grossmann, E.Pappas, M.Reiser, M.J.Rhee, T.F.Wang, Electron Ring Accelerator Research at the University Of Maryland, IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol. NS-26, No. 3, June 1979.
[26]2. В.П.Саранцев, Э.А.Перельштейн, Коллективное ускорение ионов электронными кольцами, Атомиздат, М., 1979.
[27]3. G.L.Olson, U Schumacher, Collective Ion Acceleration, Berlin -Heidelberg - New York, Springer - Verlag, 1979.
[28]4. C.L.Olson, C.A.Front, E.L.Patterson, J.P.Anthes and J.W.Poukey, Experimental Demonstration of Controlled Collective Ion Acceleration with the lonization-Front Accelerator, Phys. Rev. Lett. 56, 2260 (1986).
[29]5. R.L.Yao, W.W.Destler, C.D.Striffler, J.Rodgers, Z.Segalov, Measurements and Simulation of Controlled Beam Front Motion in the Laser Controlled Collective Accelerator, РАС 1989, pp.624-626.
[30]6. J.L.Adamski, Multy - Stage Collective Field Charged Particle Accelerator, US Patent 4,296, 327, Oct. 20, 1981, Field of Search 250/423.
[31]7. Г.А.Месяц, М.И.Яландин, Пикосекундная электроника больших мощностей, УФЫ, 175, N 3, 2005, с.225-246.
[32]8. V.P.Tarakanov, User's Manual for Code "KARAT", (ver. 7.09, April, 1999).
