Источники отрицательных ионов. Двойная перезарядка, страница 4

Из  различных  сред,  применяемых  для  осуществления  процесса перезарядки, показанных на рис. 10.3 и 10.4, использование стронция позволяет получить наиболее высокий выход отрицательных ионов. Однако существуют большие  трудности при работе со стронциевой струей. Температура плавления стронция составляет 1043 К, давление паров высокое (~211 Па), так что его циклическое использование, т.е. перегонка в жидкой фазе из конденсатора в парогенератор, весьма затруднительно. Требуемая толщина мишени (5∙10¹⁵ см ^-2) и требуемая для испарения стронция температура (~800 К) позволяют легко определить скорость испарения, которая составляет ~10³ см³/ч для пучка, имеющего 10 см в диаметре. Поэтому оказывается сложно создать запас вещества мишени для сколь-нибудь длительной непрерывной работы. Подобные же соображения могут быть отнесены ко всем щелочноземельным металлам.

Щелочные металлы оказываются  в работе гораздо проще. Например, цезий плавится   при 30°С,   давление   его паров составляет 3,3-10 ⁴ Па; необходимая толщина мишени образуется при температуре 150-200 °С. Температура плавления натрия равна 100 °С, давление его паров 1,3∙10 ^-5Па; для работы с ним вполне достаточно температуры 300-350 °С. Эти вещества совместимы с нержавеющей сталью, и с помощью электромагнитных насосов можно обеспечить непрерывный цикл. Из двух щелочных металлов цезий позволяет получить более высокое значение F₋^∞ , равное ~35% при энергии пучка 200 эВ; с ростом энергии до 500 эВ F₋^∞  медленно спадает. Хотя при работе с натрием максимальное значение  F₋^∞ значительно ниже, оно остается практически постоянным до гораздо более высоких энергий. Так например, при энергии 5 кэВ F₋^∞ = 0,07 для натрия и F₋^∞ = 0,01 для цезия. Это важное соображение, поскольку из него следует, что использование натрия позволяет сравнительно легко работать с пучком D⁺, обладающим энергией 10 кэВ, тогда как в случае цезиевой мишени энергия пучка должна лежать в диапазоне 0,4—1 кэВ.

Первые эксперименты, связанные с двойной перезарядкой и получением D⁻, были проведены в работе [219]. Из пучка ионов D⁺ с током 200 мА и энергией 1,5 кэВ был сформирован пучок конов D⁻с током 42 мА. Однако при работе с цезием возникают трудности в получении пучка с высокой плотностью тока и малой угловой расходимостью при низких энергиях ионов D⁺. Для этого в ускоряющем промежутке создают значительно большее напряжение, чем результирующее напряжение между источником и пучком. Однако такая схема инжекции однозначно приводит к нежелательному возрастанию угловой расходимости пучка. Из-за этих трудностей авторы работ [248, 139] обратились к экспериментам с натрием в качестве рабочего вещества мишени.

Источник ионов, использовавшийся в работе Хупера [139] (см. рис. 8.15), имел ускоряющий электрод, который состоял из 105 щелей размером 2 мм × 7 см каждая. Угловая расходимость пучка составляла ~0,75° вдоль щели и 2,75° поперек. Как и ожидалось, угловые размеры пучка очень мало изменились после прохождения его через перезарядную мишень.

В камере перезарядки посредством сверхзвукового сопла была образована высококоллимированная струя паров натрия (профиль струи показан на рис. 10.5). Достигнутая в этой работе [139] плотность тока ионов D⁻ представлена на рис. 10.6 как функция эффективной толщины мишени. На рис. 10.7 приведена зависимость эффективности образования пучка ионов D⁻ от энергии исходного пучка ионов D⁺. Результатом этой работы явилось получение пучка D⁻ с полным током 2,2 A пиковой плотностью тока 15 мА/см² , энергией 7-13 кВ и угловой расходимостью 0,75°×З.

Необходимо отметить, что основная причина, по которой низкоэнергичный пучок ионов D⁺ должен иметь малую угловую расходимость, связана в основном с размерами пучка в области перезарядной мишени и в меньшей степени с поперечной энергией ионов пучка (вернее, с угловыми размерами доускоренного пучка. - Прим. перев. ) . Так, при угловой расходимости 0,1 рад пучка с энергией 500 эВ поперечная энергия ионов оказывается равной 5 эВ. После ускорения такого пучка до энергии 300 кэВ его угловая расходимость составит 4∙10^-3 рад, или 0,23°.