Источники отрицательных ионов. Двойная перезарядка

Глава  10

ИСТОЧНИКИОТРИЦАТЕЛЬНЫХИОНОВ

10.1.  Необходимость получения интенсивных пучков ионов Н^–  и D^–

Отрицательные ионы различных элементов могут быть использованы для получения многозарядных ионов. Так, пучок ионов О^– после ускорения до энергии 10 МэВ, и обдирки при прохождении его через тонкую фольгу преобразуется в пучок, содержащий ноны О⁶+, О⁷⁺, О⁸⁺, что приводит к многократному увеличению эффективного напряжения тандемного ускорителя Ван-де-Граафа. Другим примером использования отрицательных ионов могут служить ускорители, в которых ноны движутся в магнитном поле. Работа с отрицательными ионами позволяет скомпенсировать нежелательное отклонение пучка. После ускорения пучок пропускают через фольгу, где отрицательные ионы преобразуются в положительные, вследствие чего кривизна траектории меняет знак на противоположный.

В настоящей главе мы ограничимся рассмотрением существующих способов получения интенсивных (с током в несколько ампер) пучков отрицательных ионов Н^–. Такие пучки могут быть использованы в различных целях, например для получения мощных пучков нейтралов, нагревающих удерживаемую магнитным полем термоядерную плазму.

Магнитное поле, удерживающее плазму в термоядерном реакторе, препятствует инжекции заряженных частиц. В принципе возможно инжектировать тяжелые ионы с очень высокой энергией так. чтобы их радиус кривизны в магнитном поле был бы достаточно велик. В настоящее время, однако, указанный подход не получил применения в наиболее распространенных схемах нагрева плазмы. Для легких атомов, таких, как водород, или еще лучше дейтерий, который является компонентом наиболее предпочтительной D—Т-реакции, необходима нейтральная инжекция. Если нейтралы будут обладать достаточной энергией, они могут быть использованы для нагрева плазмы от температуры 1 кэВ, достижимой путем омического нагрева, до температуры ~10 кэВ, необходимой для осуществления самоподдерживающейся термоядерной реакции. При прохождении пучка через плазму будут происходить его ионизация и торможение.  Для получения необходимой глубины проникновения пучка в плазму и по целому ряду других причин пучок дейтерия должен иметь энергию 400 кэВ и выше.

Пучки нейтралов с высокой энергией могут быть созданы как из положительных, так и из отрицательных ионов.

Энергия, кэВ

Рис. 10.1. Предельные фракции  нейтралов, образовавшихся при  прохождении пучков H⁺ и D⁺ через водородную мишень.

Быстрый нейтрал может быть образован из быстрого положительного иона путём передачи ему электрона от молекулы нейтрального газа. При энергии иона H⁺ меньше 20 кэВ эффективная толщина перезарядной мишени может быть сделана достаточно большой для осуществления практически 100%-ного преобразования. С ростом энергии происходит уменьшение сечения захвата электрона и возрастает сечение конкурирующего процесса ре-ионизации, вследствие чего дальнейшее увеличение толщины мишени уже не дает 100%-ного преобразования в нейтралы. На рис. 10.1 показана предельная фракция атомов водорода как функция энергии исходного пучка ионов (построена по данным табл. А6.2 из работы [21]). Предельная фракция атомов дейтерия должна быть очень близка к водородной при той же скорости частиц, и кривая для дейтерия получена из водородной кривой путем растяжения последней в два раза по шкале энергий. Для пучков Н⁺ с энергией 100 кэВ и D⁺ с энергией 200 кэВ выход нейтралов с ростом энергии падает так быстро, что это делает малоэффективным использование положительных ионов для получения нейтралов высоких энергий.

Метод получения нейтральных пучков путем отрыва электрона внешних оболочек от отрицательного иона не имеет ограничений сверху по энергии. Конкурирующий процесс в данном случае- также ионизация нейтрала, но при высокихэнергиях отношение сечений процессов Н^– → Н⁰, Н°→ Н⁺ есть величина постоянная. Правильно подобранная толщина обдирочной мишени позволяет, согласно Финку и Гамильтону [86], получать выход нейтралов 60—65% относительно исходного пучка ионов Н^– независимо от энергии. Поскольку для кулоновских столкновений характерно дальнодействие, отношение сечения отрыва электрона от отрицательного иона к сечению ионизации должно быть лучше в плазме. В работе Димова и Рослякова [71] экспериментально наблюдался выход нейтралов ~80% на литиевой и магниевой плазме. Возможно также отщепление лишнего электрона при прохождении пучка через лазерную мишень с определенной длиной волны излучения. Для такого процесса также не существует верхнего предела по энергии. Однако требуемая в этом методе оптическая толщина мишени настолько велика, что такой процесс, по-видимому, может быть использован только в том случае, если пучок ионов D^–будет иметь малый поперечный размер по меньшей мере в одном направлении.