Ускоритель ионов
СО103 СОВЕТСНИХ
СОЦИАЛИСТ ИЧЕСНИХ
РЕСПУБЛИН (19) (11) (51) 4 Н 05 Н 5/00!
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР
fl0 ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPblTHA (21) 3616556/24-21 (22) 08.07.83 (46) 28.02.86. Бюл.((- 8 (71) Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом институте (72) В.M.Быстрицкий и А.В.Петров (53) 621.384.6(088.8) (56) Humphries $.Iã. et аХ. "Advances in the efficient generation
of intense pulsed proton beams".
Iourn.of Appl. Phys., v.4á, ¹ 1, 1975, р.187-195.
MiИег R.B. et аР "Ion Beam Generation and Focusing" International
Topical Conference on Electron
and Ion Beam Research and Technology
Proceedings, v. 1„ р. 619-634, 1976. (54) (57) l УСКОРИТЕЛЬ ИОНОВ, содер— жащий генератор высоковольтных импульсов, источник плазмы, двойной диод, состоящий из двух противостоящих катодов и цилиндрического анода, помещенного между ними и подсоединенного к генератору высоковольтных импульсов, отличающийся тем, что, с целью увеличения энергии ионов и повышения эффективности генерации ионного пучка, в медианной плоскости анода снаружи закреплено и электрически соединено с ним непрозрачное для магнитного поля кольцо, а на катодах соосно и симметрично относительно анода расположены включенные встречно магнитные катушки.
2. Ускоритель по п.1, о т л и— ч а ю шийся тем, что источник плазмы размещен на внутренней поверхности цилиндрического анода в его медианной плоскости.
1118271
Устройство относится к области ускорительной техники и может быть применено для генерации мощных потоков ионов в широком диапазоне атомных масс.
Известно устройство, предназначенное для генерации ионного пучка и состоящее из генератора высоковольтных импульсов и отражательного триода, который, в свою очередь, состоит из двух противостоящих катодов и расположенного между ними прозрачного для электронов диэлектрического анода. Электроды находятся в общем корпусе и помещены в продольное магнитное поле. При поступлении на анод высоковольтного ! импульса электроны, эмиттируемые с катодов под действием электрического поля анода, совершают многократные осцилляции вокруг него, разогревают его и создают плазму на его поверхности. Из этой плазмы вытягивается ионный пучок.
К недостаткам этого устройства можно отнести протонный состав пучка обусловленный высоким содержанием водорода в материалах анода, а также однократный характер работы, связанный с разрушением анода в течение нескольких срабатываний ускорителя.
Наиболее близким техническим реше нием к изобретению является ускоритель ионов на основе плазмонаполненного двойного диода, который состоит из генератора высоковольтных импульсов, двух противостоящих катодов, один из которых прозрачен для ионов, анода, выполненного в виде цилиндра и расположенного между катодами, и размещенного на одном из катодов источника плазмы, предназначенного для заполнения плазмой плотностью (10 — 10 ) см диодного зазора. !
3 Н
Слой плазмы контактирует с анодным кольцом и имеет его потенциал. При поступлении на анод высоковольтного импульса электроны, эмиттируемые с катодов, совершают осцилляции вокруг анода, ионизуя при этом плазму. Ионы вытягиваются из границы плазменного слоя. В результате при формировании ионного пучка происходит рассасывание плазмы, т.е. отступление ее границы от катода: растет анод-катодный зазор и соответ ственно импеданс диода. Отсутствие разрушаемого анода позволяет обеспечить частотный режим, а использование определенного сорта плазмы— требуемый сорт ионов.
Недостатком этого устройства яв5 ляется невозможность получать ионные пучки с энергией, соответствующей потенциалу анода. Это обусловлено низкой проводимостью плазмы, так как уход плазменных электронов на анод ограничен собственным магнитным полем. В результате этого происходит накопление в плоскости анода плазменных электронов и образование вблизи анода двойного электрического
1 слоя, препятствующего выносу потенциала анода в плазму. Потенциал плазмы оказывается ниже потенциала анода, а ионный пучок, вытягиваемый из плазмы, имеет энергию значительно мень20 шую, чем соответствующий потенциал анода. Кроме того, как и у всех устройств такого типа {без ведущего магнитного поля), велики потери осциллирующих электронов на анод, т.е. мала эффективность генерации ионного пучка.
Целью изобретения является увеличение энергии ионов и повышение эффективности генерации ионного пуч30 ка.
Цель достигается тем, что в устройстве, содержащем генератор высоковольтных импульсов, источник плазмы, двойной диод, состоящий из двух противостоящих катодов и цилиндрического анода, помещенного между ними и подсоединенного к генератору высоковольтных импульсов, в медианной плоскости анода снаружи закреп10 лено и электрически соединено с ним непрозрачное для магнитного поля кольцо, на катодах соосно и симметрично относительно анода расположены включенные встречно магнитные катушки; источник плазмы размещен на внутренней поверхности цилиндрического анода в его медианнои плоскости.
Устройство и принцип его работы поясняются чертежом. На чертеже обозначены: 1 — генератор высоковольтных импульсов, 2 — корпус двойного диода, 3 и 4 — магнитные катушки, 5 — полый цилиндрический анод, 6 непрозрачное для магнитного поля кольцо, установленное снаружи цилиндрического анода 5 в его медианной плоскости. Кольцо 6 соединено с генератором 1 высоковольтных импульсов.
1118271
Редактор П.Горькова Техред О.Ващишина Корректор Е.Сирохман
Тираж 767 Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5
Заказ 919/4
Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная,4
Кольцевой источник 7 плазмы расположен на внутренней поверхности. анода 5, в его медианной плоскости.
Сеточные, прозрачные для ионов катоды 8 размещены соосно по обоим сторонам анода. Кроме этого, на чертеже обозначены также: 9 — траектория электрона, эмиттируемого с катода, 10 — плазма, заполняющая пространство в аноде и анодно-катодный зазор; 11 — силовые линии магнитного поля, создаваемого катушками 3,4; 12 — ионный пучок.
Устройство работает следующим образом. В заданный момент времени включенные встречно магнитные катушки 3 и 4 создают магнитное поле с силовыми линиями 11 встречной конфигурации, так называемый касп".
Так как кюльцо Ь непрозрачно для этого поля, силовые линии магнитного поля вблизи него резко изменяют направление из аксиального в радиальное, и на ограниченном расстоянии вблизи кольца по обе его стороны образуется остроугольная геометрия поля. В следующий момент времени или одновременно область между катодами заполняется плазмой
10, генерируемой кольцевым источником 7 плазмы. При достижении требуемых параметров плазмы (плотность и магнитного поля индукция от генератора 1 высоковольтных импульсов на -кольцо 6 и цилиндрический анод 5 подают высоковольтный импульс напряжения. Электроны, стартующие с катодов 8 1на чертеже для примера показана траектория 9 одного электрона), ускоряются в сторону анода и проходят через "касп". При этом движение электронов будет происходить по винтовым траекториям, обусловленным их взаимодействием с магнитным полем каспа. Благодаря малой протяженности каспа радиальная координата электрона и его азимутальный кано10 нический момент являются приближенно сохраняющимися величинами. Это приводит к перекачке продольной энергии потока электронов в азимутальную.
Осциллирующие по винтовым траектори15 ям между двумя катодами электронные потоки благодаря сохраняющимся радиусам эмиссии не попадают на анодный цилиндр.
По мере вытягивания ионов в сторо20 ну катодов 8, плазменные электроны беспрепятственно уходят на анод 5 по магнитным силовым линиям 11, обеспечивая тем самым вынесение потенциала анода на всю глубину плазмы
25 и отсутствие прианодного двойного слоя. В результате все ионы, стартующие с границы плазмы в сторону катода, формируют ионный пучок 12 с энергией, соответствующей потенци30 any анода °
Применение предлагаемого устройства позволит увеличить энергию ионного пучка за счет обеспечения большей поперечной проводимости для электрбнов плазмы, и повысить эффективность генерации ионов за счет уменьшения потерь осциллирующих электронов на анод.
