On a possibility of creation of positive space charge cloud in a system with magnetic insulation of electrons
We describe a new approach for creation an effective, low-cost, low-maintenance axially symmetric plasma optical tools for focusing and manipulating high-current beams of negatively charged particles, electrons and negative ions. This approach is based on fundamental plasma optical concept of magn...
Saved in:
| Published in: | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Date: | 2009 |
| Main Authors: | , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | English |
| Published: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2009
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/88643 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | On a possibility of creation of positive space charge cloud in a system with magnetic insulation of electrons / A.A. Goncharov, A.M. Dobrovol’skii, S.P. Dunets, A.N. Evsyukov, I.M. Protsenko // Вопросы атомной науки и техники. — 2009. — № 1. — С. 150-152. — Бібліогр.: 3 назв. — англ. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859857435358920704 |
|---|---|
| author | Goncharov, A.A. Dobrovol’skii, A.M. Dunets, S.P. Evsyukov, A.N. Protsenko, I.M. |
| author_facet | Goncharov, A.A. Dobrovol’skii, A.M. Dunets, S.P. Evsyukov, A.N. Protsenko, I.M. |
| citation_txt | On a possibility of creation of positive space charge cloud in a system with magnetic insulation of electrons / A.A. Goncharov, A.M. Dobrovol’skii, S.P. Dunets, A.N. Evsyukov, I.M. Protsenko // Вопросы атомной науки и техники. — 2009. — № 1. — С. 150-152. — Бібліогр.: 3 назв. — англ. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Вопросы атомной науки и техники |
| description | We describe a new approach for creation an effective, low-cost, low-maintenance axially symmetric plasma optical
tools for focusing and manipulating high-current beams of negatively charged particles, electrons and negative ions.
This approach is based on fundamental plasma optical concept of magnetic insulation of electrons and non-magnetized
positive ions providing creation of controlled uncompensated cloud of the space charge. The axially symmetric
electrostatic plasma optical lens is well-known and well developed tool where this concept is used successfully. This
provides control and focusing high-current positive ion beams in wide range of parameters. Here for the first time we
present optimistic experimental results describing the application of an idea of magnetic insulation of electrons for
generation of the stable cloud of positive space charge by focusing onto axis the converging stream of heavy ions
produced by circular accelerator with closed electron drift. The estimations of a maximal concentration of
uncompensated cloud of positive ions are also made.
Запропоновано новий підхід до створення ефективних, недорогих аксіально-симетричних плазмово-
оптичних приладів для фокусування та керування сильнострумовими пучками негативно заряджених часток:
електронів та негативних іонів. Цей підхід базується на фундаментальній плазмооптичній ідеї щодо
використання магнітної ізоляції електронів та незамагниченності іонів у створенні керованої нескомпенсованої
електронної хмари просторового заряду. Прикладом широко вживаного та добре розвинутого приладу, де
зазначена ідея успішно використовується, може бути аксиально-симетрична електростатична плазмова лінза.
Вона дозволяє контролювати та фокусувати сильнострумові позитивні пучки іонів в широкому діапазоні
параметрів. В роботі наведено оптимістичні експериментальні результати, що описують застосування ідеї
магнітної ізоляції електронів для створення стабільної хмари позитивного просторового заряду шляхом
фокусування на вісь потоку важких іонів, які генеруються тороїдальним прискорювачем з замкненим дрейфом
електронів. Зроблено оцінки максимальної концентрації іонів в хмарі нескомпенсованого позитивного заряду.
Описан новый подход к созданию эффективных, недорогих аксиально-симметричных плазмо-оптических
приборов для фокусировки и управления сильноточными пучками отрицательно заряженных частиц:
электронов и отрицательных ионов. Этот подход основан на фундаментальной плазмооптической идее
использования магнитной изоляции электронов и незамагниченности ионов для создания контролируемого
нескомпенсированного электронного облака пространственного заряда. Примером широко распространенного
и детально разработанного устройства, где описанная идея успешно используется, может быть аксиально-
симметричная электростатическая плазменная линза. Она позволяет контролировать и фокусировать
сильноточный положительный пучок ионов в широком диапазоне параметров. В работе впервые представлены
оптимистичные экспериментальные результаты, описывающие применение идеи магнитной изоляции
электронов для создания стабильного облака положительного пространственного заряда путем фокусировки на
ось сходящегося потока тяжелых ионов, поставляемых тороидальным ускорителем с замкнутым дрейфом
электронов. Сделаны оценки максимальной концентрации ионов в облаке нескомпенсированного
положительного заряда.
|
| first_indexed | 2025-12-07T15:44:17Z |
| format | Article |
| fulltext |
ON A POSSIBILITY OF CREATION OF POSITIVE SPACE CHARGE
CLOUD IN A SYSTEM WITH MAGNETIC INSULATION OF ELECTRONS
A.A. Goncharov, A.M. Dobrovol’skii, S.P. Dunets, A.N. Evsyukov, I.M. Protsenko
Institute of Physics of NASU, Kiev, Ukraine, E-mail: gonchar@iop.kiev.ua
We describe a new approach for creation an effective, low-cost, low-maintenance axially symmetric plasma optical
tools for focusing and manipulating high-current beams of negatively charged particles, electrons and negative ions.
This approach is based on fundamental plasma optical concept of magnetic insulation of electrons and non-magnetized
positive ions providing creation of controlled uncompensated cloud of the space charge. The axially symmetric
electrostatic plasma optical lens is well-known and well developed tool where this concept is used successfully. This
provides control and focusing high-current positive ion beams in wide range of parameters. Here for the first time we
present optimistic experimental results describing the application of an idea of magnetic insulation of electrons for
generation of the stable cloud of positive space charge by focusing onto axis the converging stream of heavy ions
produced by circular accelerator with closed electron drift. The estimations of a maximal concentration of
uncompensated cloud of positive ions are also made.
PACS: 52.59.-f, 52.40.Mj
1. INTRODUCTION
It is known that the problem of manipulating intense
beams of charged particles retains its actuality already for
many years. An idea of the space charge use for that
purpose [1] expressed for the first time by Gabor at the
beginning of the past century appeared to be very
favorable. Plasma-optical principles of introducing spatial
epithermal E-fields in the plasma medium of intense ion
beam proposed a bit later by A.I. Morozov on a basis of
idea of magnetic isolation of electrons resulted in
essential progress in the problems of focusing and
manipulating of high-current beams of positive ions
including those of heavy ions possessing current values in
a range of amperes [2]. Progress in creation of the new
materials enables the present development and
construction of electrostatic plasma lenses with
predetermined focusing features on a basis of permanent
magnets.
150 PROBLEMS OF ATOMIC SCIENCE AND TECHNOLOGY. 2009. № 1.
Series: Plasma Physics (15), p. 150-152.
Recent achievements in a creation of negative ion
sources raise a problem of development of focusing
devices capable of manipulating intense negative ion
beams. Proposed for the first time plasma lens with
positive space charge is based on the idea of electrostatic
isolation of electrons [3].
Unlike that case, in the present work the possibility of
use of the devices with magnetic isolation of electrons for
creation of dynamic cloud of positive space charge is
studied experimentally. The work presents the results of
preliminary researches of potential distribution in non-
compensated ion flow which converges onto axis of
symmetry of the system. Presence of the potential
maximum at the center of such system, and dependence of
formation of the potential distribution on a pressure in the
chamber and accelerating potential at the system anode
are demonstrated.
2. EXPERIMENTAL SETUP
In the present work toroidal plasma accelerator with
anode layer (ALA) was used as a device with magnetic
isolation of electrons for creation of dynamic cloud of
positive space charge. Beam of positively charged argon
ions formed by the device converged in the system center
whereas electrons were magnetized in the anode layer.
Schematic diagram of experimental setup is shown in
Fig.1.
ALA was placed in vacuum chamber. Cathode of the
source was grounded, and DC voltage in a range of
0…2000 V was supplied from power source to the anode.
System of permanent magnets 3 formed the field ~ 0,05 T
in the interelectrode gap. Argon with working pressure
range of 3×10-5 …3×10-3 Torr was used as plasma
generating medium. For measurement of floating
potential, Langmuire probe (5) and electrostatic volt- and
kilovoltmeter of C50 type were used. The system of the
probe mount allowed it positioning in any point at the
plane parallel to the system axis and passing through it.
Langmuire probe was assembled in a common way with
sensitive part having 347 μm diameter and 4,5 mm
length.
Fig.1. Schematic diagram of the setup.
1 – ALA, 2 – cathode, 3 – magnetic system,
4 – anode, 5 – Langmuire probe
3. EXPERIMENTAL RESULTS Results of the measurements of ion current onto the
probe in the system center are shown in Fig.5. One can
see that the current obeys the rule of ballistic focusing Measurements of floating potential at the system axis
performed for different operating parameters of the source
enabled determination of optimum conditions for
accomplishing of the experiments: the pressure of order of
5×10
( ) ~ 1/I r r excluding region of the system center.
-5 Torr and the voltage of 1 kV. Typical distributions
of floating potential along Z and R axis at different
parameters of the system are presented in Figs. 2-3.
151
Map of spatial distribution of floating potential is shown
in Fig.4 One can see that the potential distribution has
complex shape. Maximum of the potential occurs in
cylindrical region coaxial with the system axis rather than
at that axis.
Fig.5. Ion current in radial plane
(z = 0, p = 5×10-5 Torr, Ud = 1000 V):
1 – experiment; Fig.2. Floating potential at Z axis for supply
voltage Ud=1 kV, r=0 at different pressure values: 2 – estimation curve Id = 1,8/r (μA)
4. THEORETICAL ESTIMATIONS
An estimation of equilibrium ion concentration ni in
the space charge cloud formed by the ion flow converging
to the axis is possible if one would assume that the ions
come into cylindrical volume separated at the system axis
due to the beam from ALA channel, and leave along Z
axis due to action of electric field of their own space
charge. Then the equality is valid
22 i
i
i
enj rh r hπ π
τ
= ,
where ji is beam current density at the boundary of
current-collecting surface with radius r and height h, and
τI is mean time of ion residence in the cloud
2 i i
i
jn
er
τ
= .
Ion residence time in a region with typical dimension
r>>h can be estimated if one knows velocity of this ion.
With simplifying assumption of the uniform distribution
of ions in the cylinder, ions slip down from parabolic
hump of the potential having a fall of dφ. Then their mean
energy equals 1/3 dφ.
From equation for the potential, neglecting r
coordinate, we obtain
2
2 4 ien
z
ϕϕ π∂
Δ ≅ = −
∂
,
2 / 6
3 i
dd en hϕϕ π= = ,
2
3
i
i
nev d eh
M M
πϕ= = ,
/ 2 1
2
3
i
i i
h
v ne
M
τ
π
= = .
Fig.4. Floating potential distribution in the system
(p = 5×10-5 Torr, Ud = 1000 V)
Fig.3. Floating potential at z = 0, p = 5×10-5 Torr
for different discharge voltage values:
1 – 500 V; 2 – 1000 V; 3 – 1500 V; 4 – 2000 V
1 – 3×10-5 Torr; 2 – 5×10-5 Torr; 3 – 7×10-5 Torr;
4 – 1×10-4 Torr; 5 – 2×10-4 Torr; 6 – 4×10-4 Torr
152
V400 500dϕ = −Taking we can derive:
3/ 2 10 3
2
3 ; 5 10i
i i
j Mn n
re π
cm−= = ⋅
Electric field value, which can reach 600 V/cm,
realized under experimental conditions of such system is
determined. Such electric field strength is sufficient for
creation of short-focus focusing elements to be used in the
systems for producing intense beams of negatively
charged particles, negative ions and electrons.
.
5. CONCLUSIONS
ACKNOWLEDGEMENT Accomplished researches have shown principal
possibility of the use of cylindrical accelerator with anode
layer, which forms positive ion flow converging onto the
axis, for creation of positive charge cloud. It enables
possibility of development of plasma lens with essentially
undercompensated positive space charge, which will be
useful for focusing and manipulating the beams of
negatively charged particles.
This work is supported by the grants V/143 and
VC-140.
REFERENCES
1. D. Gabor. Space Charge Lens for Focusing Ion
Beams // Nature. 1947, v. 160, p. 89.
2. A. Goncharov, I. Brown. High-Current Heavy Ion
Beams in the Electrostatic Plasma Lens (Invited Paper)//
IEEE Trans. Plasma Sci. 2004, v. 32, Part 1, p. 80-83.
Dimensions of positive charge cloud formed at the
axis, and steady state of the cloud depending on plasma-
dynamics parameters of the system are determined
experimentally.
3. V. P. Goretskii, I. A. Soloshenko, and A. I. Shchedrin
Space Charge Lens for Focusing Negative-Ion Beams //
Plasma Physics Reports. 2001, v. 27, N 4, p. 335-339. It is defined by the experiment that ion flow dynamics
at radial axis of the device follows the rule of ballistic
focusing.
Article received 22.09.08
О ВОЗМОЖНОСТИ СОЗДАНИЯ ОБЛАКА ПОЛОЖИТЕЛЬНОГО ПРОСТРАНСТВЕННОГО
ЗАРЯДА В СИСТЕМЕ С МАГНИТНОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ ЭЛЕКТРОНОВ
А.А. Гончаров, А.Н. Добровольский, С.П. Дунец, А.Н. Евсюков, И.М. Проценко
Описан новый подход к созданию эффективных, недорогих аксиально-симметричных плазмо-оптических
приборов для фокусировки и управления сильноточными пучками отрицательно заряженных частиц:
электронов и отрицательных ионов. Этот подход основан на фундаментальной плазмооптической идее
использования магнитной изоляции электронов и незамагниченности ионов для создания контролируемого
нескомпенсированного электронного облака пространственного заряда. Примером широко распространенного
и детально разработанного устройства, где описанная идея успешно используется, может быть аксиально-
симметричная электростатическая плазменная линза. Она позволяет контролировать и фокусировать
сильноточный положительный пучок ионов в широком диапазоне параметров. В работе впервые представлены
оптимистичные экспериментальные результаты, описывающие применение идеи магнитной изоляции
электронов для создания стабильного облака положительного пространственного заряда путем фокусировки на
ось сходящегося потока тяжелых ионов, поставляемых тороидальным ускорителем с замкнутым дрейфом
электронов. Сделаны оценки максимальной концентрации ионов в облаке нескомпенсированного
положительного заряда.
О МОЖЛИВОСТІ СТВОРЕННЯ ХМАРИ ПОЗИТИВНОГО ПРОСТОРОВОГО ЗАРЯДУ В СИСТЕМІ
З МАГНІТНОЮ ІЗОЛЯЦІЄЮ ЕЛЕКТРОНІВ
О.А. Гончаров, А.М. Добровольський, С.П. Дунець, А.М. Євсюков, І.М. Проценко
Запропоновано новий підхід до створення ефективних, недорогих аксіально-симетричних плазмово-
оптичних приладів для фокусування та керування сильнострумовими пучками негативно заряджених часток:
електронів та негативних іонів. Цей підхід базується на фундаментальній плазмооптичній ідеї щодо
використання магнітної ізоляції електронів та незамагниченності іонів у створенні керованої нескомпенсованої
електронної хмари просторового заряду. Прикладом широко вживаного та добре розвинутого приладу, де
зазначена ідея успішно використовується, може бути аксиально-симетрична електростатична плазмова лінза.
Вона дозволяє контролювати та фокусувати сильнострумові позитивні пучки іонів в широкому діапазоні
параметрів. В роботі наведено оптимістичні експериментальні результати, що описують застосування ідеї
магнітної ізоляції електронів для створення стабільної хмари позитивного просторового заряду шляхом
фокусування на вісь потоку важких іонів, які генеруються тороїдальним прискорювачем з замкненим дрейфом
електронів. Зроблено оцінки максимальної концентрації іонів в хмарі нескомпенсованого позитивного заряду.
ACKNOWLEDGEMENT
REFERENCES
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-88643 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1562-6016 |
| language | English |
| last_indexed | 2025-12-07T15:44:17Z |
| publishDate | 2009 |
| publisher | Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Goncharov, A.A. Dobrovol’skii, A.M. Dunets, S.P. Evsyukov, A.N. Protsenko, I.M. 2015-11-19T21:04:52Z 2015-11-19T21:04:52Z 2009 On a possibility of creation of positive space charge cloud in a system with magnetic insulation of electrons / A.A. Goncharov, A.M. Dobrovol’skii, S.P. Dunets, A.N. Evsyukov, I.M. Protsenko // Вопросы атомной науки и техники. — 2009. — № 1. — С. 150-152. — Бібліогр.: 3 назв. — англ. 1562-6016 PACS: 52.59.-f, 52.40.Mj https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/88643 We describe a new approach for creation an effective, low-cost, low-maintenance axially symmetric plasma optical tools for focusing and manipulating high-current beams of negatively charged particles, electrons and negative ions. This approach is based on fundamental plasma optical concept of magnetic insulation of electrons and non-magnetized positive ions providing creation of controlled uncompensated cloud of the space charge. The axially symmetric electrostatic plasma optical lens is well-known and well developed tool where this concept is used successfully. This provides control and focusing high-current positive ion beams in wide range of parameters. Here for the first time we present optimistic experimental results describing the application of an idea of magnetic insulation of electrons for generation of the stable cloud of positive space charge by focusing onto axis the converging stream of heavy ions produced by circular accelerator with closed electron drift. The estimations of a maximal concentration of uncompensated cloud of positive ions are also made. Запропоновано новий підхід до створення ефективних, недорогих аксіально-симетричних плазмово- оптичних приладів для фокусування та керування сильнострумовими пучками негативно заряджених часток: електронів та негативних іонів. Цей підхід базується на фундаментальній плазмооптичній ідеї щодо використання магнітної ізоляції електронів та незамагниченності іонів у створенні керованої нескомпенсованої електронної хмари просторового заряду. Прикладом широко вживаного та добре розвинутого приладу, де зазначена ідея успішно використовується, може бути аксиально-симетрична електростатична плазмова лінза. Вона дозволяє контролювати та фокусувати сильнострумові позитивні пучки іонів в широкому діапазоні параметрів. В роботі наведено оптимістичні експериментальні результати, що описують застосування ідеї магнітної ізоляції електронів для створення стабільної хмари позитивного просторового заряду шляхом фокусування на вісь потоку важких іонів, які генеруються тороїдальним прискорювачем з замкненим дрейфом електронів. Зроблено оцінки максимальної концентрації іонів в хмарі нескомпенсованого позитивного заряду. Описан новый подход к созданию эффективных, недорогих аксиально-симметричных плазмо-оптических приборов для фокусировки и управления сильноточными пучками отрицательно заряженных частиц: электронов и отрицательных ионов. Этот подход основан на фундаментальной плазмооптической идее использования магнитной изоляции электронов и незамагниченности ионов для создания контролируемого нескомпенсированного электронного облака пространственного заряда. Примером широко распространенного и детально разработанного устройства, где описанная идея успешно используется, может быть аксиально- симметричная электростатическая плазменная линза. Она позволяет контролировать и фокусировать сильноточный положительный пучок ионов в широком диапазоне параметров. В работе впервые представлены оптимистичные экспериментальные результаты, описывающие применение идеи магнитной изоляции электронов для создания стабильного облака положительного пространственного заряда путем фокусировки на ось сходящегося потока тяжелых ионов, поставляемых тороидальным ускорителем с замкнутым дрейфом электронов. Сделаны оценки максимальной концентрации ионов в облаке нескомпенсированного положительного заряда. This work is supported by the grants V/143 and VC-140. en Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Низкотемпературная плазма и плазменные технологии On a possibility of creation of positive space charge cloud in a system with magnetic insulation of electrons О можливості створення хмари позитивного просторового заряду в системі з магнітною ізоляцією електронів О возможности создания облака положительного пространственного заряда в системе с магнитной изоляцией электронов Article published earlier |
| spellingShingle | On a possibility of creation of positive space charge cloud in a system with magnetic insulation of electrons Goncharov, A.A. Dobrovol’skii, A.M. Dunets, S.P. Evsyukov, A.N. Protsenko, I.M. Низкотемпературная плазма и плазменные технологии |
| title | On a possibility of creation of positive space charge cloud in a system with magnetic insulation of electrons |
| title_alt | О можливості створення хмари позитивного просторового заряду в системі з магнітною ізоляцією електронів О возможности создания облака положительного пространственного заряда в системе с магнитной изоляцией электронов |
| title_full | On a possibility of creation of positive space charge cloud in a system with magnetic insulation of electrons |
| title_fullStr | On a possibility of creation of positive space charge cloud in a system with magnetic insulation of electrons |
| title_full_unstemmed | On a possibility of creation of positive space charge cloud in a system with magnetic insulation of electrons |
| title_short | On a possibility of creation of positive space charge cloud in a system with magnetic insulation of electrons |
| title_sort | on a possibility of creation of positive space charge cloud in a system with magnetic insulation of electrons |
| topic | Низкотемпературная плазма и плазменные технологии |
| topic_facet | Низкотемпературная плазма и плазменные технологии |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/88643 |
| work_keys_str_mv | AT goncharovaa onapossibilityofcreationofpositivespacechargecloudinasystemwithmagneticinsulationofelectrons AT dobrovolskiiam onapossibilityofcreationofpositivespacechargecloudinasystemwithmagneticinsulationofelectrons AT dunetssp onapossibilityofcreationofpositivespacechargecloudinasystemwithmagneticinsulationofelectrons AT evsyukovan onapossibilityofcreationofpositivespacechargecloudinasystemwithmagneticinsulationofelectrons AT protsenkoim onapossibilityofcreationofpositivespacechargecloudinasystemwithmagneticinsulationofelectrons AT goncharovaa omožlivostístvorennâhmaripozitivnogoprostorovogozarâduvsistemízmagnítnoûízolâcíêûelektronív AT dobrovolskiiam omožlivostístvorennâhmaripozitivnogoprostorovogozarâduvsistemízmagnítnoûízolâcíêûelektronív AT dunetssp omožlivostístvorennâhmaripozitivnogoprostorovogozarâduvsistemízmagnítnoûízolâcíêûelektronív AT evsyukovan omožlivostístvorennâhmaripozitivnogoprostorovogozarâduvsistemízmagnítnoûízolâcíêûelektronív AT protsenkoim omožlivostístvorennâhmaripozitivnogoprostorovogozarâduvsistemízmagnítnoûízolâcíêûelektronív AT goncharovaa ovozmožnostisozdaniâoblakapoložitelʹnogoprostranstvennogozarâdavsistemesmagnitnoiizolâcieiélektronov AT dobrovolskiiam ovozmožnostisozdaniâoblakapoložitelʹnogoprostranstvennogozarâdavsistemesmagnitnoiizolâcieiélektronov AT dunetssp ovozmožnostisozdaniâoblakapoložitelʹnogoprostranstvennogozarâdavsistemesmagnitnoiizolâcieiélektronov AT evsyukovan ovozmožnostisozdaniâoblakapoložitelʹnogoprostranstvennogozarâdavsistemesmagnitnoiizolâcieiélektronov AT protsenkoim ovozmožnostisozdaniâoblakapoložitelʹnogoprostranstvennogozarâdavsistemesmagnitnoiizolâcieiélektronov |