Ионные источники импульсных высокоинтенсивных пучков

Ионные источники импульсных высокоинтенсивных пучков

Высокоинтенсивные ионные пучки имеют большую мощность и могут быть сфокусированы на малой площади. Для генерирования таких пучков требуются ионные источники, которые могут одновременно отвечать зачастую противоречащим одно другому требованиям высокой плотности тока и малой расходимости траекторий частиц. Источники с большим потоком, такие, как импульсные плазменные пушки или вакуумные дуги в парах металлов, обычно дают плазму со значительной пространственной и временной неоднородностью потока. Эта неоднородность искажает оптику обычных систем для вытягивания ионов, уменьшая эмиттанс пучка.

В настоящей главе обсуждаются методы согласования интенсивных потоков плазмы с вытягивающими системами. Этот подход включает использование электрически заряженных металлических сеток, воздействующих на поверхность плазмы у входа в вытягивающую систему. В отличие от большинства ионных вытягивающих систем с образованием плазменного мениска [1] в вытягивающих системах с управляющими сетками устраняется связь оптики пучка со свойствами источника плазмы. Это позволяет генерировать сильноточные пучки с малой расходимостью на больших площадях. Сеточное управление также облегчает генерирование импульсных пучков с малым временем нарастания тока.

Определения эмиттанса и яркости рассмотрены в разд. 19.1 вместе с требуемыми параметрами источников для инжекции в линейные ускорители [2] для систем инерциального термоядерного синтеза [3]. В разд. 19.2 изложены физические принципы работы вытягивающих систем с управляющими сетками, а в разд. 19.3 — основные ограничения для их использования. В разд. 19.4 обобщена работа, выполненная в нашей лаборатории на вакуумнодуговом плазменном источнике. Экспериментальные результаты по сеточному управлению и данные по существующим плазменным потокам приведены в разд. 19.5 и 19.6. Измерения интенсивности вытянутого пучка и подтверждение того, что вытягиваются однозарядные ионы данного сорта, для ряда материалов представлены в  разд. 19.7.

19.1. ЭМИТТАНС И ЯРКОСТЬ

Ионный источник данного типа накладывает фундаментальное ограничение на параллельность траекторий частиц в пучке, выходящем из ускорителя ионов. Величины «эмиттанс» и «яркость» количественно описывают понятие «параллельность пучка»

[4, 5] Эмиттанс можно определить, представив диаграмму плотности в фазовом пространстве (рис. 19.1, а)¹⁾. Траектории ионов, перпендикулярные направлению х для определенного места на оси, преда ставлены точками на диаграмме. Распределение точек обычно укав зывается контурами равной плотности. Если перемещения в направлениях х, у и z независимы, а все фокусирующие силы однородны, то площадь распределения пучка в фазовом пространстве сохраняется во время ускорения.

Рис. 19.1,6 иллюстрирует, как площадь в фазовом пространстве определяет фокальные свойства пучка. Предположим, что пучок с размерами границы распределения в фазовом пространстве Δх и Δр_х расширяется и затем фокусируется линзой с фокусным расстоянием f и диаметром d. В фокальной точке распределение имеет размеры в фазовом пространстве δ и (d/f)p_z. Сохранение площади в фазовом пространстве означает, что                                              ^

δ = (ΔxΔp_x/Δp_z)(2f/d).(1)

Здесь δ — полуширина фокального пятна. Уравнение (1) показывает, что чем меньше фазовая площадь, тем лучше фокусировка.

В экспериментах на ускорителях принято измерять углы траекторий частиц, x' = dx/dz = Px/Pz . Поэтому поперечное распределение пучка обычно представляют в координатах х и х' (следовое пространство) (рис. 19.1, в).

Такое представление называется эмиттанc-диаграммой.

Рис. 19.1. Поперечные распределения пучка, а — диаграмма в фазовом