Ускоритель ионов

 

УСКОРИТЕЛЬ ИОНОВ, содержащий соленоид, высоковольтный генератор импульсных напряжений, подключенный к анодному блоку, два противолежащих катода и плазменный источник , расположенный со стороны одного из катодов, отличающийся тем, что, с целью увеличения ресурса работы ускорителя, анодный блок выполнен в виде двух соосных кольцевых электродов, разделенных изолятором, на каждом из электродов укреплена система проводящих пластин так, что ребра пластин, принадлежащих разным электродам, обращены друг к другу и разделены (Л изолирующими вставками, а электроды присоединены к дополнительному источнику импульсов высокого напряжения . iU | 00

COOS СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11)

151) 4 Н 05 Н 5/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ с ;, ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ <

К АВТОРСНОМЪГ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3390707/18 — 21 (22) 08.02.82 (46) 28.02.86. Бюл.)1"- 8 (71) Научно-исследовательский институт ядерной физики, электроники и автоматики при Томском политехническом институте им. С.М.Кирова (72) А.В.Петров (53) 621.384.6(088.8) (56) P.À.Miller et al 1onbeam generation and focusing. Intern Топ(са1

Conf. on Electron Beam Research and

Technology, A1buguorque, 1975, Proc, v.1, р. 634-649, 1974.

Арбузов А.И. и др. Генерация сильноточных ионных пучков в плазмонаполненном триоде. I1 Всесоюзная конференция по ин енерным проблемам. УТС, Труды, т.1, 1982. (54) (57) УСКОРИТЕЛЬ ИОНОВ, содержащий соленоид, высоковольтный генератор импульсных напряжений, подключенный к анодному блоку, два противолежащих катода и плазменный источник, расположенный со стороны одного из катодов, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью увеличения ресурса работы ускорителя, анодный блок выполнен в виде двух соосных кольцевых элЕктродов, lãaçделенных изолятором, на каждом из электродов укреплена система проводящих пластин так, что ребра пластин, принадлежащих разным электродам, обращены друг к другу и разделены изолирующими вставками, а электроды присоединены к дополнительному источнику импульсов высокого напряжения.

1047370

Изобретение относится к области ускорительной техники, а именно, к технике получения мощных пучков ионов наносекундной длительности, которые перспективны для многих применений: накачка лазеров, инерционный термоядерный синтез, облучение материалов и т.д.

Известен ускоритель ионов, состоящий из высоковольтного источника импульсных напряжений, кольцевого анода, расположенного между двух катодов, один из которых прозрачен для ионов, плазменного источника, расположенного на одном из катодов, с помощью которого анод-катодные (А-К) зазоры предварительно заполняются плазмой с концентрацией 10 — 10 см 9.

)9 l4

При подаче высоковольтного импульса на анод электроны, эмиттируемые с катодов, осциллируют между ними, а при выполнении условия 1. „ 1 „

1,86)2а / Я; y z UA где I,. 5 — ион9 ный ток Чайльда-Ленгмюра для биполярного потока;

I;Ä8 V; — ионный ток насыщения из плазмы; — плотность плазмы; "; — тепловая скорость ионов; граница плазмы начинает отступать от катодов. Отбор ионов происходит с границы плазмы, которая находится под потенциалом анода. Генерируются два пучка, один из которых используется. Ускоритель работает в режиме роста импеданса, т.е. генерация ионов происходит на возрастающей части напряжения. Выполнение этого условия позволяет увеличить мощность пучка на мишени за счет его пространственного сжатия (банчнрования).

Недостатком этого устройства является большая величина потерь электронов, эмиттируемых с катодов на анод, иэ-за отсутствия продольного магнитного поля, что значительно снижает эффективность генерации ионного пучка.

Наиболее близким техническим решением является устройство, в котором анодный блок выпо ьнен в виде кольца с прозрачной для электронов металлической сеткой. Анодный блок подключен к генератору высоковольтных импульсов напряжения и расположен между двух противостоящих като10

55 дон, прозрачных для ионов. Со сторонь1 одного из катодов расположен плазменный источник, служащий для предварительного заполнения А-К зазоров плазмой необходимого состава и плотностью (10 - 10 4 ) см . Вся система находится в продольном магнитном поле. Работа устройства аналогична предыдущему. Использование в качестве анода металлической сетки с размером ячейки сотен микрон (геометрическая прозрачность 70-807) связано с необходимостью вынесения анодного потенциала в плазму, заполняющую А-К зазоры. Для указанной выше плотности плазмы и характерной электронной температуры 10 эВ (слабо столкновительная плазма) в магнитном поле 10 Э параметр Холла, опреФ деляющий ее проводимость вдоль и поперек магнитного поля и равный

У / e; где Я вЂ” ларморовская частота е электронов плазмы, 1 ; — частота столкновений .электронов и ионов плазмы, велик. В результате проводимость плазмы поперек магнитного поля резко (на несколько порядков) уменьшается, и вынос потенциала анода в плазму в отсутствии металлической сетки становится невозможным. Плазма будет находиться под потенциалом катода из-за сохранения проводимости вдоль магнитного поля»

Использование в этом устройстве продольного магнитного поля, препятствующего попаданию на анод электронов, эмиттированных с катодов, значительно увеличивает эффективность генерации ионов и, тем самым, устраняет недостаток присущий аналогу. Однако использование в качестве анода металлической сетки, расположенной поперек магнитного поля для вынесения анодного потенциала в плазму, снижает ресурс работы ускорителя иэ-эа разрушения сетки, практически ограничивая его режимом одиночных выстрелов.

Целью изобретения является увеличение ресурса работы ускорителя ионов

Поставленная цель достигается тем, что в ускорителе ионов, содержащем соленоид, высоковольтный генератор импульсных напряжений, подключенный к анодному блоку, два!

04/370 4

30

40 противостоящих катода и плазменный источник, расположенный со стороны одного из катодов, анодный блок выполнен в виде двух соосных кольцевых электродов, разделенных изолятором, на каждом из электродов укреплена система проводящих пластин так, что ребра пластин, принадлежащих разным электродам, обращены друг к другу и разделены изолирующими вставками, а электроды присоединены к дополнительному источнику импульсов высокого напряжения.

Устройство поясняется чертежом.

На чертеже приняты следующие обозначения: 1 — высоковольтный генератор импульсных напряжений, 2 — соленоид для создания продольного магнитного поля, 3 — катоды высокой прозрачности (80X) для ионов, 4 — плазменный источник, 5— кольцевые электроды анодного блока.

6 — изолятор, 7 — система проводящих пластин, 8 — изолирующие

25 вставки, 9 — дополнительный источник высокого напряжения.

Устройство работает следующим образом.

Включается соленоид 2, в момент достижения максимума магнитного поля срабатывает плазменный источник 4, создающий плазму плотностью (l0 — 10 ) см с заданным сортом ионов, которая через один из сетчатых катодов 3 натекает в А-К

35 зазоры и.в дальнейшем является источником ионов. С задержкой, равной времени заполнения А-К зазоров плазмой от плазменного источника 4, на электроды 5 анодного блока, разделенные изолятором 6, подается высокое напряжение от дополнительного источника 9, Между ребрами пластин 7 по поверхности

45 диэлектрика происходит электрический пробой, облегченный наличием плазмы от плазменного источника 4. При этом поперек магнитного поля (вдоль пластин 7) образуется плотная плазма и -э 50 с концентрацией 10 см в основном водородсодержащего состава. Диффузия этой плазмы внутрь зазоров между пластинами 7 приводит к образованию плотного плазменного слоя в плоскости перпендикулярнои магнитному полю.

Отсутствие плотной водородсодержащей плазмы в А-К зазорах достигается выбором продольного размера 1„ кольце-. вых электродов 5 и расстояния d между пластинами 7 решетки, которые соотносятся как 6 „ / d „„"- Ч „! Ч, где 1ц, 1 — продольная и поперечная скорости диффузии плазмы в магнитном поле . Различие в скоро— стях диффузии плазмы даже в десять раз при расстояниях между пластинами 7 единиц миллиметров приводят к разумным продольным размерам плотного плазменного слоя.

Создание плотной плазмы вдоль пластин 7 с последующей диффузией ее в зазоры между пластинами приводит к образованию плотного плазменного слоя с хорошей пространственной локализацией. Так как для плазмы а -з с плотностью 10 см и с электронной температурой 10 эВ частота столкновений ; электронов и ионов плазмы существенно возрастает и указанный выше параметр Холла становится малым, то проводимость такой плазмы поперек магнитного поля восстанавливается. Поэтому плотный плазменный слой, находящийся в контакте вдоль магнитных силовых линий с плазмой, созданной плазменным источником 4, обеспечивает вынос в последнюю анодного потенциала.

В момент 1 образования плотного плазменного слоя на один из электродов 5 поступает импульс напряжения положительной полярности от высоковольтного генератора 1. Второе из колец находится под тем же потенци алом, что и первое, из-за шунтирующего действия-плотного плазменного слоя. Все напряжение, приложенное к аноду, сосредотачивается между катодами 3 и границами плазмы, прилегающими к ним. Электроны, эмиттируемые с катодов 3, осциллируют между ними в продольном магнитном поле. Ионы с границ плазмы, проходя приложенную разность потенциалов, поступают на катоды. При выполнении условия 1„ „ > 1;„, где ионный ток Чайльда-Ленгмюра, I 1„ ионный ток насыщения из плазмы, границы плазмы отступают от катодов.

При этом генерируются два пучка, один из которых используется. Вследствие высокой прозрачности металлической решетки (90K) доля перехватываемых ею электронов невелика.

Кроме того, разрушаются только ребра

Редактор Л. Горькова Техред О. Ващишина

Корректор Е.Сирохман

Заказ 9!9/4 тираж 767 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий!!3035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Филиал IIIHI "Патент", г.ужгород, ул.Проектная,4

5 l047370 6 пластин, что при достаточной их достоинства прототипа, позволяет ширине несущественно . Поэтому резко повысить ресурс работы предлагаемая конструкция, сохраняя (до !Π— l0 )