Ионная пушка

 

I.ИОННАЯ ПУШКА, содержащая катод, выполненный в виде полосковой линии, которая с одной стороны замкнута , ас другой подключена к источнику тока, и имеющая отверстия для вывода ионного пучка и плоский анод, расположенный внутри катода и имеющий цилиндрические округления на торцах и диэлектрические участки напротив отверстий в катоде, отличающаяся тем, что, с целью увеличения коэффициента полезного действия и повышения однородности пучка ионов, между электродами полоскового катода со стороны подключения источника тока расположен металлический экран, выполнеиный в виде цодуцилиндра с диаметром, равным расстоянию между электродами полоскрвой линии, и имекяций электрический контакт с элeктpoдa вI. катода. kn 2. Пушка по. п.1, отличающаяся тем, что, с целью повышения ппотности потока ускоренного пуч .ка ионов за счет его баллистической фокусировки, поверхности анода и катода выполнены в виде части коаксиальных цилиндрических поверхностей.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (1Ю (11) (д) Н 05 Н 5/00

ОЛИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3522273/18-21 (22) 13.12.82 (46) 30. 11.85. Вюл,t 44 (71) Научно-исследовательский инсти-, тут ядерной физики при Томском политехническом институте им.С.М. Киро(72) В.М.Матвиенко (53) 621.384.6 (088.8) .(56) Авторское свидетельство СССР

Ф 816316, кл. H Ol J 27/02, 17.12.79.

И.Camareat et al. "Progress in

the production of the intense proton

beams with ша8пейьсаИу insulated

4хойев", Laboratory of plasma studies. Rep. У 249, 1978, р.12-22, Cornell University, Ithaca, New-York. (54) (57) 1..ИОННАЯ ПУШКА, содержащая катод, выполненный в виде полосковой линии, которая с одной стороны замкнута, а с другой. подключена к источнику тока, и имеющая отверстия для вывода ионного пучка и плоский анод, расположенный внутри катода и имеющий цилиндрические скругления на торцах и диэлектрические участки напротив отверстий в катоде, о т л н ч а ющ а я с я тем, что, с целью увеличения коэффициента полезного действия и повышения однородности пучка ионов, между электродами полоскового катода со стороны подключения источника тока расположен металлический экран, выполненный в виде цоцуцилиндра с диаметром, равным расстоянию между электродами полосковой линии, и имеющий электрический конй2 такт с электродами катода. S

2. Пушка по п.l, о т л и ч а ющ а я с я тем, что, с целью повышения ппотности потока ускоренного пучка ионов эа счет его баллистической фокусировки, поверхности анода и ка- Я тода выполнены в виде части коакси альных цилиндрических,поверхностей.

1102474

Изобретение относится к области ускорительной техники и может быть использовано для генерации сильноточных ионных пучков и создания мощных .лазеров коротковолнового диапазона. 5

Отсутствие отражающих зеркал, малый коэффициент усиления х на корот коволновых лазерных переходах (х 10 2 — 10 см " )и сильная зависимость коэффициента усиления от пара- 10 метров накачки требуют создания сильноточных ионных пушек с высокой однородностью ионного пучка и большой длиной накачки активной среды.

Известна ионная пушка для накачки лазеров, которая содержит размещенные в одном корпусе цилиндрические внешний анод и внутренний, с продольными прорезями, катод, подключенный к дополнительному источнику тока. На внутренней поверхности- анода, напротив прорезей в.катоде, расположены диэлектрические участки, являющиеся источником ионов при поверхностном пробое диэлектрика. Внутри катода, на оси, размещена активная среда. Такая ионная пушка позволяет получать сходящийся в линейную область ионный пучок.

Недостатками этой ионной пушки З0 являются низкий КПД и низкая однородность ионного пучка вдоль оси уст.ройства, что связано с дрейфовой утечкой электронов в скрещенных электрических и магнитных полях из анод З5 катодного зазора и срыву прикатодного электрического потока вблизи края анода. Срыв электронного потока: на анод сопровождается неоднородным накоплением электронов в 40 анод-катодном зазоре вдоль оси устройства и вследствие этого неоднородной генерации ионного пучка на оси.

Наиболее близким техническим решением является ионная пушка, состоя 45 щая из катода, выполненного в виде замкнутой с одной стороны полоско- вой линии и имеющего отверстия для вывода ионного пучка, плоского анода, расположенного внутри катода 50 и имеющего на своей поверхности диэлектрические участки напротив отверстий в катоде, и дополнительного источника тока, подключенного к разомкнутым концам полоскового като- 55 да.

Недостатками такой ионной пушки являются низкий КПД и неоднородность генерации ионного пучка вдоль поверхности анода.

Цель изобретения - увеличение коэффициента полезного действия, т.е. отношения ионного тока пушки к общему току анода, и повышение однородности пучка. ионов.

Цель достигается тем, что в ионной пушке, содержащей катод, выполненный в виде полосковой линии, которая с одной стороны замкнута, а с другой подключена к источнику тока, и имеющей отверстия для вывода ионного пучка и плоский анод, расположенный внутри катода и имеющий цилиндрические скругления на торцах и диэлектрические участки напротив отверстий в катоде; между электродами полоскового катода со стороны подключения источника тока расположен металлический экран, выполненный в виде полуцилиндра с диаметром, равным расстоянию между .электродами полосковой линии, и имеющий электрический контакт с электродами катода.

С целью повышения плотности потока ускоренного пучка ионов за счет

его баллистической фокусировки поверхности анода и катода выполнены в виде части коаксиальных цилиндрических поверхностей.

На фиг.1 и 2 изображена схема ионной пушки.

Ионная пушка содержит внешний катод 1, выполненный в виде полосковой линии с отверстиями 2 дпя вывода ионного пучка и подключенный к источнику 3 тока, внутренний плоский анод. 4 с диэлектрическими участками 5 на его поверхности, расположенными напротив отверстий в катоде, и тонкий металлический экран 6,, имеющий электрический контакт с электродами полосковой линии и расположенный со стороны ввода. Экран в сечении выполняется в виде полуокружности. Диаметр окружности равен расстоянию между электродами полосковой линии.

Устройство работает следующим образом.

Нри подключении источника 3 тока к катоду 1 ток, протекающий по полосковой линии, создает изолирующее магнитное поле в пространстве между катодом 1 и анодом 4. Катод и анод выполнены массивными, и з 1102474 4 быстрое магнитное поле не проникаетв " ся равномерным, электроны, являясь в электроды, чем достигается высо- полностью замагниченными, на анод . куя параллельность силовых линий не попадают, и по аноду протекает магнитного поля поверхностям элект- только ионный ток. родов. Магнитный поток ограничен Схема ионной пушки, служащей для только анод-катодным зазором, что . получения сходящегося на ось ионного обеспечивает высокий коэффициент . пучка, показана на фиг.2. Конструкиспользования энергии изолирующего . тивное отличие данной ионной пушки магнитного поля, При достижении макси- от описанной выше заключается только мума напряженности магнитного поля 1О s том, что поверхности анода и полос на анод 4 подается высоковольтный кового катода выполнены изогнутыми импульс напряжения положительной вдоль продольной осн, в виде части полярности. При этом на поверхности боковых поверхностей коаксиалььых диэлектрических участков 5 генери-,:цилиндров. Работа ионной пушки,изобруется плотная плазма, служащая 13,раженной на фиг .2, не отличается от источником ионов. Ионы, ускоряясь работы ионной пушки.с плоскими электв анод-катодном промежутке, прохо- рода>ж, Ионный пучок, генерируемый дят через отверстия 2 в катоде. . бронной пушкой с цилиндрическими поЭлектрическое поле ионного пучка . верхностями электродов, в силу вытягивает холодные электроны из сте- 20 зарядовой нейтрализации после пронок катода 1, нейтрализуя ионный . хождения отверстий в катоде сходитпучок, который может эффективно .:.. ся в узкую линейную область. Для транспортироваться на мишень. На эффективной транспортировки ионвнутренней поверхности катода 1, ко- ного пучка в области между катодом .торым теперь являются не только 4 и активной средой, где магнитное электроды полосковой линии, но и .поле является поперечным, зарядовая дополнительно введенный экран 6, sa нейтрализация обеспечивается известсчет взрывной эмиссии образуется кыки способами и может быть реалислой электронов 7, дрейфующий в зована с помощью диэлектрической скрещенных электрическом поле ано- 39 поверхности параллельной направ° да и магнитном поле изолирующего лению распространения ионного пучтока от,дополнительного источника.. ка (для нейтрализации электронами

Слои электронов, дрейфующий вдоль . поверхностной плазмы ), или с помощью плоского нижнего электрода полоско- прозрачной для магнитного поля прового катода, при подходе к замкну- З водящей поверхности (нейтрализация тому концу полосковой линии, имеюще- холодными электронами). Часть изо му в поперечном сечении вид полуок- лирующего тока дополнительного

Ружности, попадает в цилинцрическое источника проходит .по тонкому экраэлектрическое поле между анодом и нУ. катодом, совершает дрейф вдоль внут- 4в При длине верхнего электрода каренней поверхности закругления и по- тода из меди, равной 100 см, толщипадает на верхний электрод полоско- не 0,8 см и радиусе скругления ваго катода. Дрейфуя дальше вдоль, на конце его 3,5 см, .при толщине верхнего плоского электрода, элект- нихромового экрана -0,15 мм отношеронный слой попадает в такое же ци- g$ ние сопротивлений экрана и катода линдрическое электрическое поле меж- составляет 180. Поэтому в момент ду анодом и экраном и дрейфует в . подачи высоковольтного. импульса на скрещенных полях по внутренней поверх- анод ток, текущий по экрану, сосности экрана на нижний электрод по- тавляет около 0,5Х от тока, текулоскового катода. у щего по полосковому катоду.

Таким образом, траектория дрейфа Для накачки лазера ионным пучком электронов становится р вится замкнутои, ии используют или отражательные систена каком участке траектории не проис- ма или.более эффективные магнито- . ходит локального накопления электро- изолированные системы. Но все изнов, слои дрейфующих электронов в зз вестные устройства, способные :наанод-катодном зазоре становится рав- качать протяженную активную среду, номерным. Ионный ток, снимаемый с отличаются малым КПД. У наиболее плоской части анода, также становит- эффективной ионной Д пушки, Д, или

1102474

15 отношение ионного тока к общему тоl ку анода ускорителя, составляет !

237. в оптимальном режиме ° причем распределение плотности ионного тока вдоль оси активной среды неравномерно и является неустранимым недостатком базового объекта, связанным . с незамкнутым дрей@ом электронного слоя. Выполнение ионной пушки с 10 полосковым катодом, имеющим металлический экран со стороны ввода внешнего изолирующего тока, выгодно отличает данную ионную пушку от базового объекта:

1) Позволяет проводить накачку

1 активной среды с высокой однородностью при длине накачки до.нескольких метров, а длина пушки ограничи-, вается только соображениями целе- . 20 сообразности. Область активной среды обычно находится вне вакуумного объема и разделена с ионной пушкой тонкой пленкой, лежащей на металлической решетке, за которую не проникает быстронарастающее магнитное поле ° Ионы пересекают при своем движении сначала магнитный поток в зазоре анод-катод с одной ориентацией, а затем противоположно ориен- З0 тированный поток на участке катодкорпус, и при симметричном положе-. нии анода внутри катода этот суммарный магнитный поток равен нулю. И по сравнению с базовым объектом, . 35 где имеется осевой снос ионов из-за того, что пересекается только. магнитное поле анод-катодного зазора одной ориентации, в данной пушке ионы не испытывают никакого сноса 46 при движении к оси, и достижимая степень фокусировки определяется только температурой анодиной плазмы °

2 ) КПД генерации ионного пучка 45 в данном устройстве достигает в прин« ципе 100Х, поскольку при работе с 8= (2-3) S„>, где 8«- критическое значение величины магнитного поля, необходимого для магнитной изоля- 50 . ции анод-катодного промежутка, электроны не достигают анода, и анод-каю тодный зазор загружен только ионным током. В реальной пушке,- даже имеющей замкнутую траекторию дрейфа катод- 55

aoro слоя, имеется путь для попадания электронов на анод вдоль силовых линий магнитного поля., соединяющих корпус и анод, причем эти потери значительно уменьшаются с уменьшением глубины проникновения быстрого поля в металл корпуса и анода. Правильное конструирование пушки с целью увеличения длины линий магнитного поля, соединяющих корпус и анод, и уменьшения напряженности электрического поля в точках пересечения магнитных линий с поверхностью корпуса позволит достичь КПД около 95-98Х.

3) По сравнению с базовым объектом, у которого длительность импульса ионного тока составляет сотни наносекунд, что объсняется уменьшением эффективного зазора анод-слой электронов вблизи того конца анода, / г где. происходит. срыв электронного,потока, и быстрым пережканием этого зазора анодной плазмой, в данном устройстве возможна генерация ион . ных,пучков и микросекундных длительностей, причем длительность опре- . деляется только скоростью перемыкания анод-катодного зазора плазмой, анода, которая. для магнито-изолированных: систем составляет 0,30,5:см/мкс, 4) Но сравнению с базовым объектом, в котором магнитное поле создается во всем объеме ионной пушки и коэффициент полезного использова- ааа энергии магнитного поля составляет 58Х, в предлагаемой ионной пушке, где магнитный поток сосредоточен в анод-катодной области и ограничен участком транспортировки, этот коэффициент составляет величину около 50Ж, и для ее .рабо ты требуются значительно менее энергоемкие накопители. Использование для накачки лазера данной ионной пушки позволит реализовать накачку лазерных переходов, лежащих в коротковолновой области, вплоть до рентгеновского диапазона с выходом лазерного излучения в десяткисотни Джоулей при соответствующей энергетике сильноточного ускорителяе

1102474

Ось фоюусираЬи

Техред И.Асталош . Корректор Е. Снрохмаи

Редактор С.Титова

Закаэ 7043/4 Тираж 793 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам иэобретений и открытий

1!3035, Москва,. -35, Раушская наб., д.4/5

Филиал ППП "Патент", r. Óæãîðîä, ул.Проектная, 4