Лазер с накачкой ионным пучком

 

ЛАЗЕР С НАКАЧКОЙ ИОННЫМ ПУЧКОМ, содержащий источник ионного пучка с плоским анодом и катодом, а также с активной средой, при этом катод источника имеет форму охватывающего анод полувитка, в котором по одну сторону от анода выполнены прорези, а кювета с активной средой установлена напротив упомянутых прорезей в катоде, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД, на внутренней поверхности катода по другую его сторону от анода нанесены слои галогеносодержащего материала, а в аноде напротив прорезей в катоде выполнены сквозные прорези, закрытые металлической фольгой, толщина которой удовлетворяет условию ощо 1, где ст-сечение перезарядки , а 7/0 атомная толщина фольги.

СОВХОЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (st>s Н 01 S 3/09

ГОСУДАРСТВ Е ННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3657948/25 (22) 12.08.83 (46) 23.09.92. Бюл. N 35 (71) Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехниче. ском институте (72) В,М. Быстрицкий и В.Г. Толмачева (56) Баранов С.В. и др. Исследование Ar — Nz лазера при мощной накачке протонным пучком. — Квантовая электроника, 1982, т.9, вып,2, с.420 — 429.

DneIke РЛ., Glidden S.C., Greenly J.В.

et,al., 3" Intern. Topic. Conf. on high power

Elect, and Lon Веагп Research and Technology, Novosibirsk, н1, 1979. (54)(57) ЛАЗЕР С НАКАЧКОЙ ИОННЫМ

ПУЧКОМ, содержащий источник ионного

Изобретение относится к лазерной технике и может найти применение для генерации коротковолнового лазерного излучения с высокой пороговой удельной мощностью энерговкл ада.

Известен лазер с накачкой ионным пучком, содержащий источник ионного пучка— ионную пушку, выполненную на основе отражательного триода, и кювету, наполненную смесью Ar — Nz. Кювета установлена за анодом. на пути ионного пучка, который вытягивается из анодной плазмы. Анод подключен к генератору высоковольтных импульсов и выполнен из твердотельного диэлектрика со щелевым отверстием, напротив которого установлен катод. Анод и катод помещены в аксиальное магнитное поле, создаваемое магнитными катушками.

При поступлении высоковольтного импуль„„ 43„„1143279 А1 пучка с плоским анодом и катодом, а также кювету с активной средой, при этом катод источника имеет форму охватывающего анод полувитка, в котором по одну сторону от анода выполнены прорези, а кювета с активной средой установлена напротив упомянутых прорезей в катоде, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения КПД, на внутренней поверхности катода по другую его сторону от анода нанесены слои галогеносодержащего материала, а в аноде напротив прорезей в катоде выполнены сквозные прорези, закрытые металлической фольгой, толщина которой удовлетворяет условию op, 1, где а- сечение перезарядки, а ф — атомная толщина фольги, са на анод на его поверхности образуется — а плазма, заполняющая щелевые отверстия. а

Электроны, эмиттируемые с катода. много- Д„ кратно проходят(колеблются между анодом и виртуальным катодом) сквозь плазму и ионизируют ее. Под действием электриче; ского поля анод-виртуальный катод из анодной плазмы вытягивается ионный пучок, который проходит в кювету сквозь пленку, разделяющую вакуум триода и газ кюветы.

К недостаткам этого устройства относятся сложность. а также низкая энергия ионов в пучке.

Ближайшим техническим решением к предлагаемому является лазер с накачкой ионным пучком, содержащий источник ионного пучка с плоским анодом и катодом, а также кювету с активной средой, при этом катод источника имеет форму охватываю1143279 л,; 0 анод пг>луви ка, в котором по одну сторону от анода выполнены прорези. а кювета с активной средой установлена напротив упомянутых прорезей в катоде. Анод известного лазера подключен к генератору высоковоль1ных импульсов и выполнен в виде проводящей полоски, покрытой со стороны катодных прорезей плазмообразующим диэлектриком, При поступлении положительного высоковольтного импульса на анод на его поверхности образуется плазма, из которой электрическим полем в сторону катода вытягиваются ионы и, проходя через катодные щели. формируют ионный пучок, Изолирующее аксиальное магнитное поле в атой пушке создается током внешней батареи, протекающим по катоду. Ионный пучок проходит через майларовую пленку в кювету и возбуждает в ней активную среду,,Получена генерация на смеси Ar-Nz на нескольких длинах волн в фиолетовой и ультрафиолетовой области спектра, КПД лазера =0,1;4.

Недостатком известного лазера является низкая энергия ионов в пучке, что приводит к значительной потере энергии пучка ионов при прохождении через пленку в кювету, Целью изобретения является повышение КПД лазера.

Эта цель достигается тем, что в известном лазере с накачкой ионным пучком, содер>кащем источник ионного пучка с плоским анодом и катодом, а также кювету с активной средой, при этом катод источника имеет форму охватывающего анод полувитка, в котором по одну сторону от анода выполнены прорези, а кювета с активной средой установлена напротив упомянутых прорезей в катоде. на внутренней поверхности катода по другую сторону от анода нанесены слои галогеносодержащего материала, а в аноде напротив прорезей в катоде выполнены сквозные прорези, закрытые металлической фольгой, толщина которой удовлетворяет услови о гг> > 1, где и — сечение перезарядки, а >1Π— атомная толщина фольги.

Сущность изобретения поясняется черте>ком, на котором показаны; генератор высоковольтных импульсов 1, к положительно у высоковольтному полюсу которого присоединен анод 2, имеющий прорези 3, закрытые тонкими металлическими пленками. катод.4. выполненный в виде полувитка, охватывающего анод 2, B катоде 4 выполнены прорези 5, расположенные напротив прорези в аноде 2, а по другую сторону 01 «вода на внутренней по10

20

30 В результате взрывной эмиссии на внутренней поверхности катода 4, покрытой диэлек35

55 верхности катода 4 нанесен слой галогеносодержащего материала 6. Лазер содержит также корпус 7, на котором укреплен катод

4, кювету с активной средой В, пленку 9, отделяющую объем кюветы 8 от катода 4.

Кроме того, на чертеже обозначено: траектории электронов l0, силовая линия азимутального магнитного поля 11, электроотрицательные ионы 12, электроположительные ионы 13, Устройство работает следующим образом.

В расчетный момент времени OT генератора 1 на анод 2 поступает высоковольтный импульс положительной полярности, flop действием электрического поля катод 4 начинает эмиттировать электроны 10, и в цепи генератор 1 — анод 2 — катод 4 начинает протекать ток, создающий собственное магнитное поле By азимутального направления. Под действием скрещенных электрических и магнитных полей электроны 10, эмиттируемые с катода 4, начинают дрейфовать вдоль его поверхности к вершине катодного винта 4, и формируют при достижении определенного уровня тока самоограниченные магнитно-изолированные электронные потоки, срывающиеся на анод в области вершины катодного витка 4, триком, образуется взрывоэмиссионная плазма. Как известно из ряда работ, в водородной плазме содержание электроотрицательных ионов с большой энергией сродства (Н, С1, Р ) может составлять - 10 >,, что соответствует плотности на уровне 10

16

101" см и может обеспечить амплиту2ды токов порядка десятков ампер-см при напряжении на уровне сотен киловольт-единиц МэВ, Для галогеносодержащей плазмы эти параметры еще выше, flop действием электрического поля анода 2 отрицательные ионы 12 из катодной плазмы ускоряются по направлению к аноду 2 до энергии, соответствующей полной разности потенциалов.

Проходя через тонкую металлическую фольгу в прорезях 3 (доли-единицы микрон), ускоренные ионы в процессе обдирки перезаряжаются в электроположительные

13. минимальная толщина д фольги в прорезях 3, необходимая для высокой эффективности обдирки, может быть определена

1 из соотношения д ), где о — атомная о гт плотность фольги, 0 — сечение перезарядки.

Из литературы известно, что эти сечения для целого ряда электроотрицательных

114:12 П!

Составитель И,Березуев

Редактор Е.Гиринская Техред М.Моргентал Корректор И.Шмакова

Заказ 4058 Тираж Подписное

8НИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва. Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент". г. Ужгород. ул,Гагарина. 101 ионов и различных атомных составов сред лежат в диапазоне 10 -10 см. что соот-1в -1в ветствует минимально допустимым толщинам фольги в диапазоне сотых-десятых долей микрон. Толщина коммерчески доступной металлической фольги (к примеру алюминиевой) до микрона заведомо удовлетворяет приведенное выше условие. Под действием мощного пучка ионов фольга испаряется и образовавшаяся плазма начинает распространяться внутрь диодных зазоров. Однако, как известно из экспериментов. скорость металлической плазмы поперек магнитнрго поля лежит в диапазоне (2 — 5) 10 см/с, что для наносекундных дли5 тельностей импульсов составляет доли миллиметров. По этой причине металлическая плазма не успевает закоротить анод-катодный промежуток. Ионный ток, выносимый из металлической плазмы, составляет значенне е ьЬ/m, меньшее. чем електренный ток. и для алюминия. к пр меру, л жи р в диапазоне долей единиц Л/см .

Перезарядившийся пучок отрицательных ионов. прошедших полную разность по5 тенциалов диода, снова ускоряется, уже в качестве пучка положительных ионов, в сторону катода и за счет этого удваивает свою энергию. Ионный пучок с удвоенной энергией проходит через пленку 9, отделяющую

10 объем кюветы 8 от катода 4, и попадает в кювету. 3а счет более высокой энергии ионов энергопотери ионов в пленке 9 будут существенно меньшими, а пробеги их в газе в диапазоне давлений единицы атмосфер

15 составят порядка сантиметра. Таким образом, область интенсивной накачки(брегговский пик в конце пробега) оказывается значительно удаленной от стенок кюветы, что обеспечивает отсутствие охлаждения образо20 ванной пучком плазмы-за счет теплопотерь стенки. Все это приводит к увеличению КПД нака .ки и генерации лазерного излучения.