Патент на изобретение №2176133

(54) ИОННЫЙ ИСТОЧНИК

(57) Реферат:

Изобретение относится к ионным источникам для циклотронов (внутренним, закрытого типа) и может использоваться в циклотронной технике. Для многократного уменьшения величины газового потока из источника в циклотронный высокий вакуум вытягивающий электрод источника выполнен таким, что становится возможным встроить между разрядной камерой (анодом) с выходящим из нее газом и областью вакуума циклотрона ступень дифференциальной откачки. Технический результат – снижение потерь ионных пучков. 2 ил.

Изобретение относится к циклотронам, конкретно к ионным источникам для циклотронов, и может быть использовано в циклотронной технике.

Известен ионный источник для циклотрона, внутренний, закрытого типа, применяемый, в различных своих модификациях, для получения в циклотронах легких положительных ионов [1], многозарядных ионов [2], отрицательных ионов водорода и дейтерия [3].

Источник содержит замкнутую газоразрядную камеру (анод) цилиндрической формы, которая крепится на специальном штоке, может вводиться в центр циклотрона вертикально или радиально и которая располагается в центральной области осью параллельно магнитному полю циклотрона. Внутри анода располагается пара катодов, и при подаче напряжения в нем зажигается газовый разряд, горящий вдоль силовых линий магнитного поля циклотрона. Рабочий газ для питания разряда подается по трубке внутрь анода; ионы вытягиваются через небольшое отверстие в аноде с помощью вытягивающего электрода. Вытягивающий электрод, на который относительно анода подается напряжение в несколько десятков киловольт, представляет собой металлическую пластину (пару пластин), в которой имеется отверстие (щель) для прохождения вытянутых ионов и которая располагается напротив отверстия в аноде на расстоянии нескольких миллиметров.

Описанная конструкция имеет тот недостаток, что рабочий газ, через отверстие в аноде для выхода ионов, свободно вытекает в камеру циклотрона, в область циклотронного высокого вакуума. Как правило, этот газовый поток на порядок превышает все другие виды газонатекания и является основной газовой нагрузкой для вакуумных насосов циклотрона, определяющей их мощность и стоимость. Ускорение ряда ионов (например, ионов H^–) требует особенно хороших вакуумных условий, получение которых при использовании источника в его традиционной конструкции требует больших затрат на средства откачки. Недостаточно высокий уровень вакуума при ускорении подобных ионов приводит к потерям пучка из-за развала ионов на остаточном газе и к активации ускорителя.

Целью заявляемого изобретения (не имеющего близкого аналога) является внутренний ионный источник закрытого типа с пренебрежимо малым натеканием рабочего газа в вакуум циклотрона, применение которого делает возможным использование в ряде циклотронов, в качестве основного откачного средства, вакуумных насосов значительно меньшей производительности и стоимости, чем традиционно применяемые. Способ, которым эта цель достигается, никак не затрагивает условий горения разряда в ионном источнике и, следовательно, не влияет на интенсивность извлекаемого ионного пучка.

Цель достигается тем, что вытягивающий электрод источника так видоизменен, что становится возможным встроить между разрядной камерой (анодом) с выходящим из нее газом и областью высокого вакуума камеры циклотрона ступень дифференциальной откачки. Именно, вытягивающий электрод выполнен в виде заключающего внутри себя анод сосуда, открытый конец которого соединен (через переходник или непосредственно) с входным фланцем небольшого вакуумного насоса, а в боковой стенке которого, для прохождения ионов проделан сквозной узкий длинный канал. Для обеспечения беспрепятственного прохождения ионого пучка канал сделан изогнутым в форме дуги окружности, а величина вытягивающего напряжения такова, что радиус этой окружности равен ларморовскому радиусу траектории вытянутых ионов, движущихся в канале под действием магнитного поля циклотрона (электрическое поле в канале отсутствует). Шток, на котором фиксируется камера анода, отделен от металлических стенок вытягивающего электрода (сосуда) вакуумплотным соединением, поэтому анод находится в замкнутом объеме, изолированном от области циклотронного высокого вакуума всюду, за исключением канала, в вытягивающем электроде. При работе устройства, газ, выходящий из разрядной камеры, в основной своей массе откачивается подсоединенным насосом но методу дифференциальной откачки, и лишь небольшая его часть попадает в циклотронный вакуум через изогнутый канал; ионы, вытянутые из разряда, ускоренные в промежутке между анодом и вытягивающим электродом, входят в изогнутый канал, проходят всю его длину, не теряясь на его стенках, и далее захватываются в ускорение. Таким образом, газовый поток “отсекается” от области высокого вакуума, но это отсечение не затрагивает ионного пучка.

Дифференциальная откачка газа из ионного источника происходит при низком вакууме, сравнительно с рабочим вакуумом циклотрона, и для ее успешного осуществления достаточно (это показано ниже) небольшого насоса производительностью ~100 л/с в области давлений ~10^-3 мбар. При использовании внутреннего ионного источника в его традиционной конструкции, для компенсации ухудшения вакуума из-за “гажения” источника требуются, в зависимости от сорта ускоряемых ионов, их конечной энергии, интенсивности пучка, высоковакуумные насосы производительностью от десятков до сотен тысяч л/с.

Один из возможных вариантов реализаций изобретения, для источника с вертикальным вводом, для геометрии циклотрона, с одним 180-градусным дуантом, показан на фиг. 1, 2. На фиг. 1 показало сечение устройства медианной плоскостью циклотрона, на фиг. 2 – сечение вертикальной плоскостью А-А по фиг. 1.

В источнике, изображенном на фиг. 1, 2, традиционный вытягивающий электрод отсутствует. Вместо него, анод (1) окружен новым вытягивающим электродом (2) в виде сосуда (или оболочки), с которым он имеет вакуумплотный, электрически не проводящий контакт через резиновое кольцо (3); вытягивающий электрод (2) через короткий широкий переходник (4) вакуумплотно соединен с насосом (5), расположенным в вакуумной камере циклотрона. Для прохождения вытянутого из разряда пучка ионов (6), в вытягивающем электроде проделан узкий канал (7), изогнутый в форме полуокружности; вход в канал расположен напротив выходного отверстия в аноде, подобен ему по форме и несколько больше его по размерам. Далее на фиг. 1, 2: (8) – траектория пучка, (9) – газовый поток из разрядной камеры источника, (10) – дуант с перемычкой для экранировки пучка.

При работе устройства вытягивающий электрод (2) находится под потенциалом антидуанта (заземлен). Между анодом ионного источника и вытягивающим электродом прикладывается напряжение, достаточное для вытягивания ионов и необходимое, чтобы согласовать кривизну траектории вытянутого пучка с кривизной канала (7); ионы, выйдя из разряда и ускорившись в вытягивающем промежутке, входят в канал, двигаются по окружности, не задевая стенок канала, и, выйдя из канала в ускоряющий промежуток, захватываются в ускорение. Поток рабочего газа (9), выходящий из разрядной камеры источника, частично попадает в высокий вакуум циклотрона через канал (7), но в основной своей массе откачивается насосом (5).

Чертеж источника выполнен в масштабе 1:1 и соответствует одной из оптимизаций для следующих конкретных условий: сорт ионов – H^–, магнитное поле в центре В= 15 кГс, напряжение на дуанте (10) U=100 кВ, выходная щель в аноде источника – 1х6 мм². При этом поперечное сечение изогнутого канала выбрано – 3х8 мм², его длина – L = 62 мм. Для согласования кривизны траектории пучка с кривизной канала вытягивающее напряжение должно быть приложено:
U =(q/2m) (LB/ )² = 29 кВ, (1)
где q – заряд, m – масса H^– иона.

Наглядно очевидно то, что газовая проводимость промежутка: вход в канал (7) – вход в насос (5) значительно выше проводимости канала (7): длины промежутка и канала примерно равны, средний поперечный размер промежутка не менее чем десятикратно превосходит поперечный размер канала. Газовая проводимость трубопроводов при молекулярном режиме течения газа пропорциональна кубу среднего поперечного размера [4], поэтому имеет место хорошая дифференциальная откачка газового потока насосом (5).

Типичные рабочие давления в H^– источниках ~10^-2 мбар, газовые потоки из источников при этих давлениях ~10 см³ атм/мин. В предположении, что насос (5) обеспечивает на входе в канал (7) давление – 10^-3 мбар, сделана оценка потока в вакуум циклотрона по формуле:
газовый поток = (проводимость) (разность давлений).

Рассмотрен канал круглого поперечного сечения площади, равной площади сечения канала (7). Проводимость канала при молекулярном режиме течения газа [4]:
k=38.1 (T/M)^1/2 d³/L = 7.5 10⁴ см³/мин. (2)
Давление в области высокого вакуума можно принять равным нулю, поэтому:
газовый поток = 7.5 10⁴ см/мин³ 10^-6 атм = 7.5 10^-2 см³атм/мин, (3)
– то есть, достигается более чем двухсоткратное уменьшение газонатекания из ионного источника в циклотронный вакуум. В использованной выше формуле для проводимости: T = 300 – температура (К), М = 2 – молекулярная масса водорода, d = 5.5 10^-3, L = 62 10^-3, – соответственно, диаметр и длина канала (м).

Для поддержания на входе в насос (5) давления 10^-3 мбар при газонатекании 10 см³ атм/мин требуется насос с производительностью 166 л/с. Используется насос, работающий по одному из известных принципов откачки, но его конструкция приспособлена к условиям задачи. Такое приспосабливание не является слишком сложным, так как требуемый насос – насос небольшой производительности в области низкого вакуума. В рассматриваемом конкретном варианте насос расположен в вакуумной камере циклотрона, что ограничивает его вертикальный размер, – естественно скомпенсировать это ограничение увеличением его горизонтальных размеров.

Для оценки эффективности прохождения пучка через изогнутый канал проведено сравнение эмиттанса пучка с аксептансом канала. Аксептанс канала (7) определяется в основном его горизонтальным аксептансом, как соответствующим наименьшему поперечному размеру канала. Для рассматриваемых размеров канала и для вытягивающего напряжения 29 кВ, аксептанс, вычисленный в линейном приближении, в переменных координата – угол равен:
A 110 мм мрад. (4)
Типичные приведенные эмиттансы пучков из внутренних H^– источников -E_N= 1-10 мм мрад, что для эмиттансов дает:
E = E_N|() 12-120мм мрад. (5)
(,-релятивистские факторы). Следовательно: E A и, следовательно, возможна проводка пучка через узкий изогнутый канал (7) без значительных потерь, даже при весьма малой ширине канала – 3 мм.

Возможность выбора размеров и формы вытягивающего электрода такими, чтобы пучок мог обойти источник на первом обороте, следует из фиг. 1, где штрихпунктиром (8) обозначена траектория пучка. Как можно видеть: при напряжении на дуанте 100 кВ, при выбранных размерах и форме вытягивающего электрода, ионный источник обходится пучком.

Заявляемое устройство может быть использовано: а) для применения в ряде циклотронов в качестве основного откачного средства вакуумных насосов значительно менее производительных и, следовательно, менее дорогостоящих, чем традиционно применяемые, б) для снижения, за счет улучшения уровня вакуума, потерь ионных пучков из-за развала ионов на остаточном газе и снижения наведенной этими потерями активации циклотронов, в) для увеличения интенсивности пучков из внутренних источников некоторых ионов за счет перевода их в режимы работы при больших давлениях и при больших размерах выходных щелей, г) для более широкого применения в циклотронах, наряду с внешней инжекцией, внутренних ионных источников там, где это может быть экономически или с научной точки зрения целесообразным.

Источники информации

2. Веников Н.И. и др. Авторское свидетельство СССР N 197786, Бюлл. ОИПОТЗ N 13, 1967, с. 81.

4. Л.Н. Розанов. Вакуумная техника, Москва, “Высшая Школа”, с. 40.

Формула изобретения

Ионный источник для циклотрона, внутренний, закрытого типа, включающий в себя анод (разрядную камеру) с проделанным в нем отверстием для выхода ионов, вытягивающий электрод для вытягивания ионов из разряда через отверстие в аноде, отличающийся тем, что, с целью улучшения вакуума циклотрона, снижения мощности и стоимости его вакуумной системы за счет снижения потока рабочего газа из ионного источника в циклотронный вакуум, вытягивающий электрод выполнен в виде заключающего внутри себя анод сосуда, открытый конец которого соединен с входным фланцем вакуумного насоса, осуществляющего дифференциальную откачку газа, выходящего из разрядной камеры, в боковой стенке которого проделан сквозной узкий канал, изогнутый в форме дуги окружности радиуса, равного ларморовскому радиусу траектории вытянутых ионов, служащий для обеспечения беспрепятственного прохождения ионного пучка через вытягивающий электрод.

РИСУНКИ

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 16.06.2003

Извещение опубликовано: 27.09.2004 БИ: 27/2004