Читать книгу Все науки. №4, 2022. Международный научный журнал - Ибратжон Хатамович Алиев - Страница 4

Аннотация. Введение пучка в ускоритель – один из самых важных операций, но перед этим необходимо сгенерировать определённые пучки этих частиц, среди которых используются электроны, протоны, дейтроны и прочие ионы. Для генерации же электронов, используют электронные источники, действующие на термоэлектронной эмиссии. Обычный такой источник состоит из полого анода цилиндрической формы с отверстием по центру. Внутри такого анода находиться коническая катодная линза, в центре которой и находиться нагретый катод.

Ключевые слова: инжекционные системы, введение пучка, заряженные частицы, ускорители, термоэлектронная эмиссия.

Annotation. The introduction of a beam into an accelerator is one of the most important operations, but before that it is necessary to generate certain beams of these particles, among which electrons, protons, deuterons and other ions are used. To generate Auger electrons, electronic sources acting on thermionic emission are used. A typical such source consists of a hollow cylindrical anode with a hole in the center. Inside such an anode there is a conical cathode lens, in the center of which there is a heated cathode.

Keywords: injection systems, beam injection, charged particles, accelerators, thermionic emission.

На катод подаётся напряжение порядка 50—100 кВ, такое же напряжение подаётся на линзу, анод же заземлён. При нагреве катода внешние электроны атомов получают достаточную разность потенциалов чтобы изначально покинуть свою орбиту, а после преодолеть электронную «стену», образуемую из свободных электронов на краю кристаллической решётки проводника. Затем катодная линза создаёт дополнительное напряжение, заставляя поток электронов не распыляться, а направляться к щели. Через которую и выходит поток.

При этом важно получить потоки частиц с большими токами малого размера и малой угловой расходимостью, без лишних потерь. Катод для такого источника может быть либо прямого накала, который излучает электроны непосредственно нагреваясь до 2000—2500 градусов Цельсия из вольфрама, либо подогревающиеся, когда материал, обладающий высокой эмиссионной способностью, но низкой проводимостью, то есть не в виде спирали, разогревается расположенный внутри него специальной спиралью из иного материала.

Большая система инжектирования ускорителя ОИЯИ

Материал для катода в данном случае представляет собой вольфрам, оксиды, соединение борид-лантана и другие. Пучки имеют характеристики при выходе от десятка Ампер и сотен кэВ.

Говоря же о ионных источником, необходимо сказать, что ионы получаются при пропуске разряда в газе или парях самого вещества при малом давлении от 1 до 10^—5 Па. Как это было не раз ранее упомянуто при описании вакуумных насосов, для ионизации эффективно применение магнитных полей. По итогу получается плазма, состоящая из электронов и ионов различной полярности, что позволяет разделить их при помощи всё того же магнитного поля, направив их туда электрическим. Так они разделяются и поступают в сам ускоритель.

И эти источники по своей необходимости должны генерировать большие токи для ионов, для проведения всё более эффективных экспериментов и работ с максимальными точностями.

Одним из разновидностей источников ионов является источник, действующий при помощи разряда Пеннинга или PIG-источник. Он основан на том принципе, что в металлическом изоляторе установлены два катода и перпендикулярно им два магнита, создающие магнитные поля. По середине их расположен анод с щелью, при том второй катод тоже имеет щель.

В камере достигается давление в 1-10^-2 Па, после чего на катоды подаётся напряжение 3—8 кВ, а анод заземлён. Это заставляет электроны покидать катод, направляться к аноду, но по пути ионизировать воздух, а ионы направляются к катоду вновь выбивая новые электроны, пока число ионов не увеличивается. Но в определённый момент начинает действовать новый электрод – сразу за щелью второго катода, который и начинает вытягивать эти ионы, поскольку и у анода есть щель. Затем следующий электрон их фокусирует и третий уже выводит из источника. Материал катода в конструкции либо титан, либо тантал.

При выделении самих ионов важным аспектом является увеличение их плотности на момент вывода из источника. Следующей моделью инжектора является устройство дуо-плазматрон. Этот источник действует таким образом, что в полости небольшого давления как в PIG-источнике, которых охлаждается внешне водяным охлаждением, расположен нагретый катод – источник электронов, который продолжает ионизировать среду. Но вместе с этим действуют внешние электрические и магнитные поля, магнитное поле – от внешних электромагнитов, электрические – от катода и капиллярного электрода под отрицательным потенциалом.

ВЧ-система инжектирования пучка

Также находиться за капилляром конической формы с небольшим зазором анод, притягивающий ионы. Важный аспект в том, чтобы при помощи электрических и магнитных полей создать максимальную концентрацию плазмы, при этом количество полезных ионов доходит до 90%. Токи же доходят от мА до А с максимально малой угловой расходимостью, всё из-за той же концентрации. Такие источники используются для получения самых различных ионов, чаще всего ионов водорода, дейтерия и гелия, соответственно получаются протоны, дейтроны и альфа-частицы. Потенциал направляться от импульсного трансформатора на электроды, с определёнными частотами и доходит до 600—700 кВ.

В любой среде имеются свободные электроны, которые поддаются воздействию как электрического, так и магнитного поля. При наличии электромагнитного ВЧ или высокочастотного поля, электроны могут получить достаточную энергию, чтобы ионизировать атомы среды, образуя плазму. Естественно, что будет появляться в этом случае ВЧ-разряд.

Имеется зависимость того, что мощность разряда пропорциональна концентрации электронов, что может быть соответствующим датчиком, а также пропорционален квадрату напряжённости электрического поля, что предсказуемо. Также имеется зависимость как от давления газа, так и от подаваемой частоты. Но поскольку здесь действуют частоты, имеет место предположить наличие некой частоты резонанса, и он достигается, когда частота ВЧ совпадает с частотой соударения электронов с молекулами, когда и достигается лучшее поглощение энергии и образование плазмы. В данном случае не нужен катод.

Устройство ВЧ-источника состоит в следующем. В колбе из кварца или пирекса, поверх которой намотана катушка, а в верхней части введён анод, на который подаётся постоянное напряжение. На катушку подаётся переменное напряжение, после чего появляется ВЧ кольцевой разряд, ограничиваемый взаимно перпендикулярными линиями магнитного и электрического поля.

Далее концентрация плазмы в полости увеличивается, затем начинает действовать напряжение на вытягивающем электроде, что приводит к выводу плазмы через небольшую щель, далее идёт фокусирующий электрод и наконец ускоряющий электрон. Подаваемая частота составляет десятки МГЦ, а напряжение на вытягивающем электроде 3—5 кВ. Ранее указываемое давление ныне должно быть около 1 Па с расходом 1—2 см³/ч. Потребляемая мощность ВЧ не велика и равна 100—200 Вт, с током генерируемых ионов в сотни мкА.

Следующий вид источников СВЧ-источники действуют как следующая стадия ВЧ-источников. Изначально, в небольшую полость вводят газ – на первую ступень с давлением порядка 0,1 Па. Затем в этот газ направляется поток электронов из обычного термоэлектронного источника, но эти электроны введены в резонанс на их ларморовской частоте. То есть электроны введены в магнитное поле и совершают вращение по силе Лоренца, равной центробежной силе (1.3).

Где уместно введение следующих преобразований (1.4).

Откуда можно вычислить ларморовскую частоту (1.5).

Из этого следует, что можно определить ларморовскую частоту для определённого магнитного поля, тем самым увеличивая энергию частиц. Таким образом слабые электроны увеличивают свою энергию, что позволяет ионизировать больше газа на первой ступени, соответственно вводя завихрения. Далее следует вторая ступень, на которую поступает уже колодная плазма с энергией 1 кэВ, предварительно откачивая ненужные остатки газа в 2 ступени.

На первой ступени до этого частота была порядка 16 ГГц. При этом холодная плазма диффундирует в обдирочную ступень. Далее эта плазма поступает на вторую ступень, где частота уже меньше и достигает 8 ГГц, но плазма там приобретает большую энергию, то есть там уже горячая плазма с энергией порядка 10 кэВ с давлением порядка 10^—5 Па плазмы. Эта плазма находиться в небольшой ловушке, где уменьшается концентрация магнитного поля, то есть создаётся своеобразная граница, которую ионы и иные заряженные частицы покинуть не могут. Соответственно, в системе имеется свой вакуумный насос, система откачки и вывод порционно самой плазмы в ускоритель, то есть экстрактор.

Сами ловушки не только на конце, то есть на экстракторе, и в начале второй ступени, но также и между этапами первой ступени действуют и называются символично «пробка-трон». Эти ловушки представляют собой два магнитных зеркала, расположенные по краям блокирующей области, создавая поля соленоидов и мульти-полюсные поля, где нулевое поле расположено на самой оси ловушки. Такие источники называются благодаря использованию явления резонанса в циклическом вращении электрон-циклотронно-резонаторными источниками или ЭЦР-источниками, и как было показано имеют две стадии ионизации.

И если в первом имеется высокое давление 0,1 Па, то во втором плазма диффундирует и давление понижается до 10^—5 Па. И ещё одной хорошей стороной ЭЦР-источника является получение многозарядных ионов. Даже не смотря на свои большие размеры и габариты, такие источники действительно обеспечивают большую степень ионизации и действуют на циклотронах с постоянными токами, хотя и ограничены большими импульсами этих током.

В результате, остаётся описать последний, лазерный источник ионов. Его принцип довольно прост и основывается на том, что мощный или точнее юстировочный лазер направляется через отражатель на лазер второго этапа, ярким примером такого лазера является карбонатный или CO₂-лазер. Излучение из карбонатного лазера отразившись от зеркало направляется на цилиндрическую мишень, и огромная концентрация энергии излучения, соответственно с использованием ряда оптических фокусирующих систем, приводит к образованию плазмы. К примеру, карбонатный лазер действует на диапазоне инфракрасного излучения – 10,6 мкм и этого вполне достаточно из-за высокой интенсивности.

Остаётся лишь вывести полученную плазму благодаря соленоиду и магнитным ловушкам, соответственно сфокусировав, а далее используя вывод, направить в сам ускоритель. Но при вводе самого газа, в структуре самой мишени используя и азот, не только кислород, для получения плазмы. При этом разряд соответственно поперечный, то есть образованное первоначальное излучение из первого лазера во вторичном лазере возбуждает свободные электроны, придавая им энергию, к примеру в молекулах азота, далее соударение молекул азота и карбоната приводит к заселению уровней и высвобождению новых электронов.

Таким образом на саму пластину подаётся импульс порядка 20 кВ, а давление в самой камере 10² Па, что можно считать одной из самых низких необходимых уровней вакуума среди источников. И чтобы убедиться в том, что энергия этого потока способна создать плазму, достаточно указать, что общая энергия, направленная на эту мишень, составляет 10 МВт и только небольшое пятнышко диаметром 0,5 мм направляется 10 Дж энергии. Соответственно, плотность энергии уже равняется 10⁸ Вт/мм², что приводит к испарению 10¹⁷ атомов.

По этой причине и происходит указанная ионизация и образуется электронно-ионная плазма, но из-за точечного облучения на мишени образуется кратер, с определённой концентрацией энергии, где и повышается плотность плазмы, что уже приводит к резкому выходу ионов и повышению самого выхода в несколько раз. К примеру, у нуклотрона при энергии 5 МэВ/нуклон, интенсивность составляет 1,5*10¹⁰ ионов углерода и 10⁹ ионов магния.