Способ нейтрализации положительных ионов

 

Использование: генерация пучков нейтральных частиц. Сущность изобретения: для повышения эффективности нейтрализации положительных ионов осуществляют резонансную перезарядку ионов на атомах нейтрализующего газа, предварительно переведенных в возбужденное состояние. Возбуждение атомов можно производить путем их облучения лазерным излучением. Нейтрализацию тяжелых положительных ионов для уменьшения расходимости нейтрального пучка осуществляют на легких возбужденных атомах. 2 з. п. ф-лы, 3 табл.

Изобретение относится к генерации пучков нейтральных частиц (ПНЧ), в частности к системам нейтрализации заряженных пучков, и может быть использовано в космической технике, термоядерном синтезе и т.д.

В этих задачах качество систем нейтрализации определяется следующими факторами: эффективностью нейтрализации, равной отношению конечного нейтрализованного потока частиц к падающему потоку заряженных частиц; энергией заряженных частиц, при которой осуществляется нейтрализация; дополнительной угловой расходимостью, обусловленной рассеянием пучка на частицах нейтрализующего газа.

Для генерации нейтральных частиц с энергией менее 50 80 кэВ/нуклон традиционно предпочтительной является схема, в которой нейтральный пучок получают из ускоренных положительных ионов путем перезарядки на собственном газе; при большей энергии выгоднее становится применение пучков отрицательных ионов. Это связано с тем, что с ростом энергии сечение перезарядки положительных ионов резко падает, а сечение "обдирки" отрицательных ионов слабо зависит от энергии частиц. Например, сечение перезарядки положительных ионов водорода при 80 кэВ имеет порядок 10^-16 см², а сечение "обдирки" отрицательным ионов 10^-15 см².

Для решения некоторых специальных задач генерируемые ПНЧ должны иметь крайне низкую расходимость и энергию в сотни мегаэлектронвольт, поэтому нейтрализация положительных ионов не целесообразна из-за низкой эффективности при высоких энергиях. Однако и "обдирка" отрицательных частиц имеет ряд недостатков.

Известный способ получения ПНЧ из отрицательных ионов распадается на три основные стадии [1] образование в ионном источнике отрицательных ионов, вытягивание их из области образования и формирования пучка отрицательных ионов; ускорение пучка до требуемой энергии (в ускорителе); преобразование пучка отрицательных частиц в ПНЧ (в нейтрализаторе), Основным недостатком такой схемы является сложность создания источников отрицательных ионов, способных генерировать пучки с низкой расходимостью, и в настоящее время задача создания таких источников еще окончательно не решена. Кроме того, дополнительная сложность связана с выделением и торможением электронов, сопутствующих пучку отрицательных ионов.

Аналогична вышеописанной и схема получения быстрых атомов из положительных ионов [1] В газовом разряде образуются положительные ионы, которые извлекаются из разряда, ускоряются и формируются в пучок, после чего перерабатываются в нейтральные атомы на перезарядной мишени с эффективностью, определяемой соответствующими сечения перезарядки и ионизации. Резкое падение сечения перезарядки положительных ионов при энергии частиц более 100 кэВ/нуклон делает невыгодным использованием инжектора рассматриваемого типа из-за его низкой (при этих энергиях) эффективности (менее 60).

Все вышеизложенное можно подытожить следующим образом: пучки положительных частиц генерируются относительно легко, но нейтрализуются с низкой эффективностью; пучки отрицательных ионов нейтрализуются с достаточно высокой эффективностью (50 60), но создание их источников сопряжено с рядом принципиальных сложностей. Следовательно, при решении задачи нейтрализации возникает проблема выбора знака нейтрализуемой частицы.

Цель настоящего изобретения разработка такого способа нейтрализации положительный ионов высокой энергии, который имел бы эффективность нейтрализации не хуже, чем в случае отрицательных ионов.

Цель достигается с помощью резонансной перезарядки ионов на атомах собственного (или более легкого) газа, которые переводят в возбужденное состояние лазерной накачкой на резонансных переходах, причем для уменьшения расходимости нейтрального пучка нейтрализацию тяжелых положительных ионов осуществляют на легких возбужденных атомах.

Оценка эффективности нейтрализации проводится по формуле I_o ток нейтральных атомов в пучке;
I^*_o начальный ток положительных ионов в пучке ионов на входе в нейтрализатор;
N_oz интегральная толщина мишени;
_пер сечение перезарядки быстрых положительных ионов на атомах;
_io сечение ионизации быстрых атомов в процессах столкновения с частицами среды распространения.

Сечение перезарядки _пер быстрых положительных ионов на атомах, находящихся в основном состоянии, определяется выражением

²/2 величина, характеризующая энергию связи электрона в атоме;
v_* величина, имеющая разномерность скорости и зависящая от атомного номера;
v относительная скорость сталкивающихся частиц.

В табл. 1. приведены значения сечений перезарядки в атомных единицах, вычисленные для четырех видов частиц при различных энергиях.

При нейтрализации иона на возбужденном атоме процесс перезарядки изменяется существенным образом. У возбужденного атома увеличивается не только его размер (а следовательно, и площадь поперечного сечения), но и появляется возможность надбарьерного перехода электрона /3/. Сечение перезарядки возрастает в этом случае во много раз и описывается выражением

где е заряд электрона,
I потенциал ионизации возбужденного атома;
v_o скорость внешнего электрона в основном состоянии;
v относительная скорость движения сталкивающихся частиц;
n главное квантовое число электрона в возбужденном состоянии,
f(z) 1 + 0,8z^2/5 + 2,6z
В табл. 2 приведена зависимость сечения перезарядки для ионов калия от главного квантового числа n и кинетической энергии относительного движения частиц.

Для данной задачи ионизация является процессом, обратным перезарядке. Как показано в /2/, сечение ионизации высоковозбужденного атома равно сечению упругого рассеяния электрона на атоме, так как в этом случае удаленный слабосвязанный электрон может рассматриваться как свободный. Поскольку энергии атома и электрона относятся, как их массы, то сечение упругого рассеяния электрона следует определять для соответствующего значения энергии электрона.

В табл. 3 представлены характерные сечения упругого рассеяния электронов на атомах, примерно равные сечениям ионизации возбужденных атомов.

По формуле (1) можно оценить эффективность предлагаемого способа нейтрализации, подставляя в нее значения сечений перезарядки и ионизации из табл. 2 и 3.

Например, для калия при энергии МэВ и n 5, N_oz 410¹³ см^-2 оценка дает

Следовательно, при указанных условиях возможна эффективность нейтрализации на уровне 76
Используя табл. 1 и 3, можно оценить эффективность нейтрализации для той же энергии (10 МэВ) для калия

Таким образом, эффективность нейтрализации для калия при энергии 10 МэВ благодаря перезарядке на возбужденных атомах увеличилась в 30 раз.

Наиболее эффективным методом создания газа из высоковозбужденных частиц является лазерная накачка на резонансных длинах волн /4/. Для этого нейтрализующий газ облучается двумя или более лазерами с длинами волн, подобранными таким образом, что атом с высокой вероятностью оказывается в нужном возбужденном состоянии. Условия подбора длин волн и соотношений между интенсивностями лазерного излучения приведены в /4/.

При высоких энергиях и больших сечениях перезарядки влияние рассеяния становится незначительным, так как при столь больших сечениях перезарядки концентрация частиц в среде распространения может быть низкой.

Влияние рассеяния может быть уменьшено еще и путем нейтрализации тяжелых положительных ионов на легких возбужденных атомах за счет случайных резонансов (например, Cs⁺ на Rb^* /3/). При таком способе импульс поперечной отдачи будет еще меньше, чем в случае перезарядки Cs⁺ на Cs^*.

Источники информации, использованные при составлении заявки
1.Семашко Н. Н. и др. Инжекторы быстрых атомов водорода. М. Энергоиздат, 1981.

2. Галицкий В. М. Никитин Е. Е. Смирнов Б. М. Теория столкновения атомных частиц. М. Наука, 1981.

3. Смирнов Б. М. Асимптотические методы в теории атомных столкновений. М. Атомиздат, 1973.

4. Летохов В. С. Лазерная фотоионизационная спектроскопия. М. Наука, 1987.

Формула изобретения

1. Способ нейтрализации положительных ионов путем их резонансной перезарядки на газе из собственных атомов, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности процесса нейтрализации, атомы нейтрализующего газа предварительно переводят в возбужденное состояние.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что возбуждение атомов осуществляют путем их облучения потоком лазерного излучения на резонансных переходах.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что, с целью уменьшения расходимости нейтрального пучка, нейтрализацию тяжелых положительных ионов осуществляют на легких возбужденных атомах за счет случайных резонансов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2