RU2619081C1 - Method for accelerating ions by pulsed electron flow - Google Patents

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: electron flow of the explosive emission from the cathode is formed in the method for accelerating ions by the pulsed electron flow, while generating a high-voltage pulse of the negative voltage on the diode cathode using a two-electrode spark gap, the electron flow is locked in the cylindrical drift tube with the formation of a potential well for the positively charged particles, the pulsed laser radiation is focused on a solid target, a laser plasma cluster is formed, expanding to the diode axis, the neutral laser plasma atoms are ionized by the electron flow, the negative space charge is compensated in the potential well, and the obtained ions are accelerated along the drift tube, the part of the laser radiation necessary for a stable spark gap breakdown, is focused on its electrode, and the increasing current is excited in a conical spiral line via τ₃ the delay time after the laser pulse, a quickly growing azimuthally symmetric magnetic field is created by the spiral line in the potential well area, decreasing in magnitude along the drift tube, and the clot of electrons and ions is exposed thereby.

EFFECT: increasing the current of the accelerated deuterons, while maintaining or reducing the drift space dimentions.

1 dwg

Description

Изобретение относится к технике ускорения заряженных частиц в сильных электрических полях, конкретно к методам коллективного ускорения ионов импульсными электронными потоками.The invention relates to techniques for accelerating charged particles in strong electric fields, and specifically to methods for collective ion acceleration by pulsed electron flows.

Известны технические решения в области коллективного ускорения ионов импульсными электронными потоками [1-3], в которых осуществляется ускорение ионов в процессе инжекции импульсного потока электронов в цилиндрическую рабочую камеру (трубу дрейфа), заполненную газом под давлением 0,01-1 Торр, где при электростатическом запирании электронного потока формируется потенциальная яма, в которую попадают ионы, образуемые в процессе ионизации газа электронным ударом. Для формирования потенциальной ямы необходимо, чтобы электронный ток превышал некоторое критическое значение [1]:Known technical solutions in the field of collective ion acceleration by pulsed electron flows [1-3], in which ions are accelerated during the injection of a pulsed electron stream into a cylindrical working chamber (drift tube) filled with gas under a pressure of 0.01-1 Torr, where at By electrostatic blocking of the electron beam, a potential well is formed, into which ions are formed that are formed during the ionization of the gas by electron impact. To form a potential well, it is necessary that the electron current exceeds a certain critical value [1]:

где I_A≈17 кА - ток Альфена; γ <(eUo + mс²) /mс² — относительная полная энергия электронов; е, т- заряд и масса электрона соответственно; Uo - амплитуда напряжения при генерации электронного потока; п_е- концентрация электронов; n_i(t) - концентрация ионов, изменяющаяся во времени; χ = R/a - отношение радиусов трубы дрейфа и электронного пучка.where I _A ≈17 kA is the Alphen current; γ <(eUo + ms ² ) / ms ² is the relative total electron energy; e, t is the charge and mass of the electron, respectively; Uo is the voltage amplitude during electron flow generation; p _e is the electron concentration; n _i (t) is the concentration of ions that varies over time; χ = R / a is the ratio of the radii of the drift tube and the electron beam.

В результате компенсации объемного заряда электронов ионами, образуемыми при ионизации газа, потенциальная яма приходит в движение и ионы, захваченные в ее объеме, начинают ускоряться. При этом, как показывают результаты многочисленных экспериментов (см., например, [4]), кинетическая энергия ускоренных ионов может достигать значений ΔW≈ (2÷3)( γ - 1)тс², где m - масса покоя электрона.As a result of the compensation of the space charge of electrons by ions formed during gas ionization, the potential well starts moving and the ions trapped in its volume begin to accelerate. Moreover, as shown by the results of numerous experiments (see, for example, [4]), the kinetic energy of accelerated ions can reach ΔW≈ (2–3) (γ - 1) mc ² , where m is the rest mass of an electron.

Основным недостатком рассмотренных технических решений - аналогов является неуправляемая связь между временем формирования потенциальной ямы и началом процесса компенсации объемного заряда электронов, что затрудняет подбор оптимального режима ускорения ионов.The main disadvantage of the considered technical solutions - analogues is the uncontrolled relationship between the time of formation of the potential well and the beginning of the process of compensating the space charge of electrons, which makes it difficult to select the optimal mode of ion acceleration.

Этих недостатков лишено техническое решение, описанное в работе [5], где рабочая камера находится под вакуумом, а давление в области потенциальной ямы образуется локально в пространстве и во времени путем попадания туда расширяющегося плазменного облака, образуемого при фокусировке короткого лазерного импульса на мишень, выполненную из того материала, ионы которого необходимо ускорять. Такая схема позволяет варьировать время формирования электронного потока и запуска лазера с помощью специального блока синхронизации. Указанное техническое решение выбрано в качестве прототипа.These drawbacks are deprived of the technical solution described in [5], where the working chamber is under vacuum, and the pressure in the potential well region is formed locally in space and in time by getting an expanding plasma cloud formed when a short laser pulse is focused on a target made from the material whose ions must be accelerated. Such a scheme allows you to vary the time of formation of the electron beam and the start of the laser using a special synchronization unit. The specified technical solution is selected as a prototype.

Недостатком прототипа является сравнительно низкий импульсный ток ускоренных ионов, в данном случае дейтронов (≤50 мА, измерение по нейтронной методике). Техническим результатом предлагаемого способа является увеличение тока ускоренных дейтронов при сохранении или уменьшении размеров дрейфового пространства.The disadvantage of the prototype is the relatively low pulsed current of accelerated ions, in this case deuterons (≤50 mA, measurement by the neutron method). The technical result of the proposed method is to increase the current of accelerated deuterons while maintaining or reducing the size of the drift space.

Этот результат достигается тем, что в известном способе, при котором формируют высоковольтный импульс отрицательного напряжения на катоде диода с использованием двухэлектродного разрядника, образуют поток электронов взрывной эмиссии с катода, запирают электронный поток в цилиндрической трубе дрейфа с формированием потенциальной ямы для положительно заряженных частиц, фокусируют излучение импульсного лазера на твердую мишень, образуют сгусток лазерной плазмы, расширяющийся к оси диода, ионизируют электронным потоком нейтральные атомы лазерной плазмы, компенсируют отрицательный объемный заряд внутри потенциальной ямы и ускоряют полученные ионы вдоль трубы дрейфа, согласно предлагаемому способу часть лазерного излучения, необходимую для стабильного пробоя разрядника, фокусируют на его электрод и через время задержки τ₃ после лазерного импульса возбуждают нарастающий ток в конусообразной спиральной линии, создают с помощью спиральной линии в области потенциальной ямы быстронарастающее азимутально-симметричное магнитное поле, спадающее по величине вдоль трубы дрейфа, и воздействуют им на сгусток электронов и ионов, где τ₃≈(r/V_пл) - τ_Η, r - расстояние от плазмообразующей мишени до центральной оси трубы дрейфа, V_пл - скорость распространения плазменного фронта, τ_Η - время нарастания электронного тока.This result is achieved by the fact that in the known method, in which a high-voltage pulse of negative voltage is generated at the cathode of the diode using a two-electrode spark gap, an electron beam of explosive emission from the cathode is formed, the electron beam is blocked in a cylindrical drift tube with the formation of a potential well for positively charged particles, focus radiation from a pulsed laser onto a solid target, form a bunch of laser plasma, expanding to the axis of the diode, neutral atomic ions ionize by electron beam We laser plasma compensate negative space charge in the potential well and accelerate the received ions along a drift tube, according to the proposed method of the laser radiation required for a stable breakdown spark gap, focusing on its electrode and after a time delay τ ₃ after the laser pulse excite a rising current in the conical spiral line, create using a spiral line in the potential well region a rapidly growing azimuthally symmetric magnetic field that decreases in magnitude along the pipe Wraith, and exposed them to electrons clot and ions where τ ₃ ≈ (r / V _pl) - τ _Η, r - the distance from the plasma-target to the central drift tube axis, V _pl - the velocity of propagation of the plasma front, τ _Η - Rise Time electronic current.

Для реализации предлагаемого способа может быть использована схема, представленная на Фиг. 1 и содержащая следующие позиции: 1 - генератор импульсного напряжения с формирующей линией; 2 - изоляторы; 3 - разрядник-обостритель; 4 - игольчатый катод; 5 - нейтроннообразующая мишень; 6 - труба дрейфа (анод диода); 7 - импульсный лазер; 8 - плазмообразующая мишень; 9 - спиральная линия; 10 - оптические вводы; 11, 12 - фокусирующие линзы; 13 -частично прозрачное зеркало; 14 - зеркало; 15 - блок запуска лазера.To implement the proposed method, the circuit shown in FIG. 1 and containing the following positions: 1 - a pulse voltage generator with a forming line; 2 - insulators; 3 - surge arrester; 4 - needle cathode; 5 - neutron-forming target; 6 - drift tube (anode of the diode); 7 - pulsed laser; 8 - plasma forming target; 9 - a spiral line; 10 - optical inputs; 11, 12 - focusing lenses; 13 is a partially transparent mirror; 14 - a mirror; 15 - block the start of the laser.

Согласно этой схеме нарастающий отрицательный потенциал от генератора 1 подается на левый электрод разрядника 3. При определенном заданном напряжении на разряднике с помощью исполнительного устройства 15 запускается лазер 7, работающий в режиме модулированной добротности. Излучение лазера проходит через частично прозрачное зеркало 13, направляется зеркалом 14 на линзу 12 и фокусируется на плазмообразующую мишень 8, расположенную на спиральной линии 9. Часть излучения, отраженная зеркалом 13, направляется на линзу 11, фокусируется на электрод разрядника и вызывает интенсивную термоэмиссию в области локального разогрева этого электрода, которая стимулирует срабатывание разрядника в нужный момент времени, по аналогии с работой [6], приводя к эмиссии с игольчатого катода 4 потока электронов.According to this scheme, the growing negative potential from the generator 1 is supplied to the left electrode of the arrester 3. At a certain predetermined voltage on the arrester, the laser 7 operating in the modulated Q factor mode is launched using the actuator 15. The laser radiation passes through a partially transparent mirror 13, is directed by a mirror 14 to a lens 12 and is focused on a plasma-forming target 8 located on a spiral line 9. A part of the radiation reflected by a mirror 13 is directed on a lens 11, is focused on an electrode of an arrester and causes intense thermal emission in the region local heating of this electrode, which stimulates the operation of the spark gap at the right time, by analogy with [6], leading to the emission of 4 electron flux from the needle cathode.

Плазма, образуемая под действием лазерного импульса, сфокусированного на мишень 8, распространяется к центральной оси трубы дрейфа со скоростью переднего фронта V_пл~10⁵м/с. При этом, как показывают оценки, для приемлемых геометрий ускоряющей системы и энергии лазерного импульса время задержки должно лежать примерно в пределах от 10 до 50 нс. Для обеспечения синхронизации примерно за такое же время должно осуществляться формирование отрицательного высоковольтного импульса между катодом 4 и анодом 5. Интенсивная термоэмиссия с электрода разрядника сводит к минимуму статистический разброс времени его срабатывания, что обеспечивает стабильность синхронизации.The plasma generated by a laser pulse focused on target 8 propagates to the central axis of the drift tube with a leading edge velocity of _Vpl ~ 10 ⁵ m / s. Moreover, estimates show that for acceptable geometries of the accelerating system and laser pulse energy, the delay time should lie in the range from 10 to 50 ns. To ensure synchronization in about the same time, the formation of a negative high-voltage pulse between the cathode 4 and anode 5. Intensive thermal emission from the spark gap electrode minimizes the statistical spread of its response time, which ensures synchronization stability.

Формирование магнитного поля в области потенциальной ямы с помощью спиральной линии предполагает, с одной стороны, радиальное контрагирование электронного потока, с другой стороны, должно обеспечить более эффективную ионизацию нейтралов лазерной плазмы за счет удлинения электронных траекторий, как это происходит, например, в разряде Кауфмана [7].The formation of a magnetic field in the potential well region using a spiral line implies, on the one hand, radial contraction of the electron beam, and, on the other hand, should provide a more efficient ionization of the neutrals of the laser plasma by lengthening the electron trajectories, as is the case, for example, in a Kaufman discharge [ 7].

Коническая форма спиральной линии обеспечивает проникновение электрического поля в прикатодную область. Компьютерный расчет электрических полей методом эквивалентных зарядов [8] показал, что напряженность электрического поля в области катода должна составлять примерно 50-60 % от напряженности поля в области правого торца спирали. Это условие обеспечивает формирование электронного потока и достигается, если угол полураствора конуса α лежит в пределах π/6≤α≤π/4.The conical shape of the spiral line ensures the penetration of the electric field into the cathode region. Computer calculation of electric fields by the method of equivalent charges [8] showed that the electric field strength in the cathode region should be approximately 50-60% of the field strength in the region of the right end of the spiral. This condition ensures the formation of an electron beam and is achieved if the half-angle of the cone α lies in the range π / 6≤α≤π / 4.

Другие геометрические характеристики спиральной линии и трубы дрейфа анализировались в компьютерном эксперименте и получаются из условия пропорции между временем формирования катодного факела [9] и временем пролета лазерной плазмы от плазмообразующей мишени до оси ускоряющей системы.Other geometric characteristics of the spiral line and drift tubes were analyzed in a computer experiment and are obtained from the condition of the proportion between the time of the formation of the cathode torch [9] and the time of flight of the laser plasma from the plasma forming target to the axis of the accelerating system.

Предлагаемый способ должен позволить существенно (не менее чем в 2 раза) увеличить ток ускоренных ионов при сохранении или уменьшении габаритов приборов, его реализующих. Это особенно важно с точки зрения возможного применения ускорителя в качестве генератора нейтронов для элементного анализа горных пород в полевых условиях, а также нейтронного каротажа нефтяных и газовых скважин, особенно при анализе успешности интенсификации добычи высоковязких нефтей.   The proposed method should allow to significantly (not less than 2 times) increase the current of accelerated ions while maintaining or reducing the dimensions of the devices that implement it. This is especially important from the point of view of the possible use of the accelerator as a neutron generator for elemental analysis of rocks in the field, as well as neutron logging of oil and gas wells, especially when analyzing the success of intensification of production of high-viscosity oils.

Источники информацииInformation sources

1. Миллер Р. Введение в физику сильноточных пучков заряженных частиц. М., Мир, 1984, 432 с.1. Miller R. Introduction to the physics of high-current beams of charged particles. M., World, 1984, 432 p.

2. Линев А.Ф., Масунов Э.С., Тоцкий Ю.И., Худенко А.Я., Цыбин А.С., Шиканов А.Е. Инжектор многозарядных ионов. А.с. СССР №963 412, от 4.03.1981.2. Linev A.F., Masunov E.S., Totsky Yu.I., Khudenko A.Ya., Tsybin A.S., Shikanov A.E. Multiply charged ion injector. A.S. USSR No. 963 412, dated 4.03.1981.

3. Дубинов А.Е., Корнилова И.Ю., Селемир В.Д. Коллективное ускорение ионов в системах с виртуальным катодом. Успехи физических наук, т. 172, №11, 2002, с. 1225-1246.3. Dubinov A.E., Kornilova I.Yu., Selemir V.D. Collective ion acceleration in systems with a virtual cathode. Advances in Physical Sciences, vol. 172, No. 11, 2002, p. 1225-1246.

4. Диденко А.Н., Григорьев В.П., Усов Ю.П. Мощные электронные пучки и их применение. М., Атомиздат, 1977, 278 с.4. Didenko A.N., Grigoryev V.P., Usov Yu.P. Powerful electron beams and their application. M., Atomizdat, 1977, 278 pp.

5. Козловский К.И., Рыжков В.И., Цыбин А.С., Шиканов А.Е.
Экспериментальное исследование макета генератора нейтронов на базе диода
с коллективным ускорением дейтронов импульсным электронным потоком.
Атомная энергия, т. 113, в. 2, 2012, с. 120- 122.5. Kozlovsky K.I., Ryzhkov V.I., Tsybin A.S., Shikanov A.E.
Experimental study of the model of a neutron generator based on a diode
with collective deuteron acceleration by a pulsed electron beam.
Atomic energy, t. 113, c. 2, 2012, p. 120-122.

1. Гусаров В.Н., Козловский К.И., Цыбин А.С., Шиканов А.Е. Исследование процессов в лазерном воздушном разряднике. Изв. Вузов, «Радиофизика», т.27, №4, 1984, с. 512-517.1. Gusarov V.N., Kozlovsky K.I., Tsybin A.S., Shikanov A.E. The study of processes in a laser air gap. Izv. Universities, "Radiophysics", vol. 27, No. 4, 1984, p. 512-517.

2. Форрестер А.Т. Интенсивные ионные пучки. М., Мир, 1992, 356 с.2. Forrester A.T. Intense ion beams. M., World, 1992, 356 p.

3. Бейер М., Бек В., Меллер К., Цаенгль В. Техника высоких напряжений: теоретические и практические основы применения. М., Энергоатомиздат, 1989, 555 с.3. Beyer M., Beck V., Meller K., Zaengl V. High-voltage technique: theoretical and practical principles of application. M., Energoatomizdat, 1989, 555 pp.

4. Королев Ю.Д., Месяц Г.А. Автоэмиссионные и взрывные процессы в газовом разряде. Новосибирск, Наука, 1982, 256 с.4. Korolev Yu.D., Month A.A. Field emission and explosive processes in a gas discharge. Novosibirsk, Nauka, 1982, 256 pp.

Claims (1)

Способ ускорения ионов импульсным электронным потоком, при котором формируют высоковольтный импульс отрицательного напряжения на катоде диода с использованием двухэлектродного разрядника, образуют поток электронов взрывной эмиссии с катода, запирают электронный поток в цилиндрической трубе дрейфа с формированием потенциальной ямы для положительно заряженных частиц, фокусируют излучение импульсного лазера на твердую мишень, образуют сгусток лазерной плазмы, расширяющийся к оси диода, ионизируют электронным потоком нейтральные атомы лазерной плазмы, компенсируют отрицательный объемный заряд внутри потенциальной ямы и ускоряют полученные ионы вдоль трубы дрейфа, отличающийся тем, что часть лазерного излучения, необходимую для стабильного пробоя разрядника, фокусируют на его электрод и через время задержки τ_з после лазерного импульса возбуждают нарастающий ток в конусообразной спиральной линии, создают с помощью спиральной линии в области потенциальной ямы быстронарастающее азимутально-симметричное магнитное поле, спадающее по величине вдоль трубы дрейфа, и воздействуют им на сгусток электронов и ионов, где τ_з≈(r/V_пл)-τ_н, r - расстояние от плазмообразующей мишени до центральной оси трубы дрейфа, V_пл - скорость распространения плазменного фронта, τ_н - время нарастания электронного тока.A method of accelerating ions by a pulsed electron beam, in which a high-voltage pulse of negative voltage is generated at the cathode of the diode using a two-electrode spark gap, form an electron beam of explosive emission from the cathode, block the electron beam in a cylindrical drift tube with the formation of a potential well for positively charged particles, and focus the radiation from a pulsed laser to a solid target, they form a bunch of laser plasma, expanding to the axis of the diode, neutral atoms are ionized by an electron beam We use a laser plasma to compensate for the negative space charge inside the potential well and accelerate the ions obtained along the drift tube, characterized in that the part of the laser radiation necessary for stable breakdown of the spark gap is focused on its electrode and, after a delay time τ _s after the laser pulse, they generate an increasing current in a conical spiral line, create using a spiral line in the potential well region a rapidly growing azimuthally symmetric magnetic field that decreases in magnitude along the drift pipe, and in zdeystvuyut them to clot electrons and ions, where τ _s ≈ (r / V _pl) -τ _n, r - the distance from the target to the plasma-forming central drift tube axis, V _pl - plasma front propagation speed, τ _n - electron current rise time.

Images