Ускоритель ионов для накачки лазера

 

Изобретение может быть использовано при создании лазеров с накачкой ионным пучком, в которых для эффективной генера1у1И мощного коротковолнопого импульса необходимы ионные ускорители , способ1И)1е накачивать протяженную активную среду с максимально высоким удельным энерговкладом. Ускоритель иояов содержит зарядное устрой ство 1, двойную коаксиальную формирующую линию, имеющую корпус 2, средний 3 и внутренний 4 электроды, реактор 5, кольцевой коммутатор 6, устаггоплеппым между электродами 3 и 4. Ионная пушка образована внутренней поверхностью электрода 4, имеющей диэлектрические участки 7, и цилиндрическим катодом 8, имеющим прорези 9, Внутри катода 8 коаксиально с ним размещен цилиндрический электрод 11, имеющий прорези 12. На оси ионной пушки помещена активная среда 14. Для разделения ионной пушки и двойной формирующей линии используются изоляторы 15. .В предложенной конструкции ускорителя обеспечивается увеличение удельного энерговклада в активную среду для накачки лазера путем управления формой поверхности ви ртуального катода и степенью фокусировки ионного пучка. При этом знергозапас корректгфз ющего источника 13 не превьппает 7% энсргозапаса основного источника 10. 3 ил. 1.0 жЫ. СлЭ СП 05 О5

COfO3 СОВЕТСКИХ

СоаЕЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (») -" Н 05 Н 5/ОО

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ HOMHTET СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (46) 30.03.93 Бюл. %12 (61) 1116969/25 (21 ) 3971721

{22) Ol.! 1.85 (71) Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом институте им. С.М. Кирова (72) В.М. Матвиенко (56) Авторское свидетельство СССР

Н 1116969, кп. Н 05 Н 5/00, 1983. (54) УСКОРИТЕЛЬ ИОНОВ ДЛЯ НАКАЧКИ

ЛАЗЕРА (57) Изобретение может быть использовано при создании лазеров с накачкой ионным пучком, в которых для эффективной генерации мощного коротковолнового импульса необходимы ионные ускорители, способные накачивать протяженную активную среду с максимально высоким удельным энерговкладом. Ускоритель ионов содержит зарядное устрой" ство l двойную коаксиальную формирующую линию, имеющую корпус 2, среднийг

3 и внутренний 4 электроды, реактор 5, кольцевой коммутатор 6, установленный между электродами 3 и 4. Ионная пушка образована внутренней поверхностью электрода 4, имеющей диэлектрические участки 7, и цилиндрическим катодом 8, имеющим прорези 9. Внутри катода 8 коаксиально с ним размещен цилиндрический электрод 11 имеющий прорези

12. На оси ионной пушки помещена активная среда 14. Для разделения ионной пушки и двойной формирующей линии используются изоляторы 15 В предложенной конструкции ускорителя обеспечивается увеличение удельного энерговклада в активную среду для накач- ф ки лазера путем управлегпгя формой поверхности виртуального катода и степенью фокусировки ионного пучка. Нрн этом энергозапас корректирующего источника 13 не превьпиает 7% энергозапаса основного источника 10. 3 ил.

136

Изобретение является усовершенствованием известного ускорителя ионов дхЖ накачки лазера по авт.св.

М 1116969, относится к области ускорительной техники и может быть преиму щественно использовано при создании лазеров с накачкой ионным пучком, так как для эффективной генерации мощного коротковолнового импульса необходимы ионные ускорители, способные накачивать протяженную активную среду с максимально высоким удельным эн=.рговкладом.

Целью изобретения является увеличение удельного энерговклада в активную среду ускорителя ионов для накачки лазера за счет управления формой поверхности виртуального катода и степенью фокусировки ионного пучка.

На фиг. f схематически изображен ускоритель; на фиг. 2 — геометрия ус-корителя в сечении; на фиг. 3 — кривые результатов измерения индукции по азимуту.

Ускоритель ионов состоит из зарядного устройства 1, двойной коаксиальной Формирующей линии, имеющей наружный корпус 2, средний 3 и внутренний электроды, реактора 5, кольцевого коммутатора б и коаксиальной ионной пушки, расположенной внутри ускорителя на его оси, Зарядное устройство

1 подсоединено к среднему электроду 3 формирующей линии, внутренний электрод 4 соединяется реактором 5 с наружным корпусом 2 формирующей линии, а коммутатор 6 установлен между средним и внутренним электродами. Ионная пушка образована внутренней поверхностью внутреннего электрода 4 Формирующей линии, имеющим диэлектрические участки 7 на своей поверхности, и цилиндрическим катодом 8, имеющим прорези 9 напротив диэлектричес" ких участков 7 на поверхности внутреннего электрода. Цилиндрический ка" тод 8 соединен одним своим концом с наружным корпусом 2 формирующей линии. Первьгй импульсный источник 10 тока подсоединен одним полюсом к наружному корпусу 2 формирующей линии, а другим к цилиндрическому катоду 8.

Внутри катода 8 коаксиально с ним установлен цилиндрический электрод 11, имеющий прорези !2 вдоль образующих напротив прорезей 9 в катоде. Одним своим концом цилиндрический электрод

11 соединен с наружным корпусом 2 фор0563

2 мирующзл линии. Второй импульсный источник 13 тока подсоединен одним полюсом к катоду 8, а другим полюсом

5 к цилиндрическому электроду 11. На оси ионной пушки помещена активная среда 14. Для разделения ионной пушки и двойной формирующей линии используются изоляторы 15.

Ускоритель ионов работает следующим образом. При срабатывании импульсных источников 10 и 13 тока по цилиндрическому катоду 8 и наружному корпусу 2 протекает ток первого источника 10 создающий изолирующее азимутальное поле в анод-катодном зазоре, а ток второго источника 13 протекает по цилиндрическому электроду 11 и катоду 8, создавая корректирующее магнитное поле, сосредоточенное в объеме. между электродом 11 и катодом 8.

От зарядного устройства 1 при его срабатывании происходит заряд

25 двойной формирующей линии. В момент достижения максимума изолирующего и корректирующего магнитного поля и зарядного напряжения на двойной формирующей линии происходит срабатывание кольцевого коммутатора 6, расположенного на равном удалении от торцовых частей. В результате срабатывания коммутатора 6 на коаксиальную ионную пушку с обеих ее кольцов одновременно поступают две волны напряжеЗБ ния. Импульсы положительной полярности, распространяющиеся между катодом

8 и внутренней поверхностью электрода 4 (который является в этом случае анодом ионной пушки), вызывают поверхностный пробой диэлектрических участков 7, и на поверхности этих диэлектрических участков генерируется плотная плазма.

Ф

Ионы этой плазмы, ускоряясь на промежутке анод — виртуальный катод„ проходят последовательно сквозь прорези 9 в катоде, область корректирующего поля между катодом 8 и электродом 11, сквозь прорези 12 в электроде 11. Магнитное поле внутри цилиндрического электрода 11 отсутствует, что приводит к нейтрализации сходящегося ионного пучка холодными электронами, которые вытягиваются из стенок прорезей электрическим полем ионФ ного пучка. Так как траектория ионов в значительной мере определяется формой поверхности виртуального катода, з 1.3605

1 а поверхность виртуального катода в магнитно-изолированных диодах совпадает с одной из прикатадных магнитных поверхностей, формирование определенного распределения магнитного поля в анод-катоднам зазоре позволяет управлять траекторией ионов при их движении к мишени.

При срабатывании второго источника тока 13 силовые линии азимутального корректирующего магнитного поля, сосредоточенного в объеме между катодом 8 и электродом 11, провисают в прорези 9 катода и электрода 12.

Если обозначить положительным направление магнитного поля в области катод 8 — электрод 11, создаваемого прямым током источника 13, текущим

От источника по электроду 11 к карпу- 20 су 2, то обратный ток от корпуса 2 по катоду 8, перераспределяясь по поверхности ребер катода, будет создавать над ребром магнитное поле отрицательного направления. И при работе 25 одного второго источника 13 тока . внутри анод-катодного зазора над ребром катода магнитное поле будет иметь отрицательное направление, а над щелью — положительное, ЗО

При включении в работу первого, основного, источника 10 тока, ток которого протекает по катоду 8 к корпу.су 2 и создает изолирующее азимутальное магнитное поле положительного на35 правления в анод-катодном зазоре, результирующее распределение магнитного поля внутри анод-катодного заза" ра будет определяться соотношением такОВ истОчникав 10 и 13 тОка Варьи о40 руя величину тока второго источника

13, можно достичь концентричности всех силовых линий магнитного поля внутри анод-катодного зазора: уменьшая величину этого тока, получить провисание силовых линий в прорези катода, увеличивая величину этого тока, получить выпуклости силовых линий внутрь анод-катодного зазора над прорезями катода.

55 о

Так, например, измерения магнит-. ных полей на модели при ширине щели 11 мм, зазоре катод - электрод 4

5 мм, диаметр катода 60 мм датчиком высотой 4 мм показали, что отношение напряженности магнитного поля над щелью к напряженности поля .над реб-, ром изменяется в диапазоне О, 67-1, 22 при изменении амплитуды тока второ63 го стачннка в диапазоне 0-2 :.ìèëèòó- . ды тока первого источника.

Для ужесточения конструкции и улучшенин нейтрализации ионного пучка при ега движении в эакатодном пространстве целесообразно саедштть ребра катода 8 и ребра электрода 11 диэлектрическими нроклацками. И при движении ионного пучка в области между катодом 8 л электродом 11 нейтрализация его будет осуществлятьсп плазменными электронами, образующимися при пробое поверхности диэлектрика, Поскольку зазор между катаном 8 и дополнительным электродом 11 мажет быть выполнен достаточно малым (он определяется в вышеприведенном варианте электрической прочностью диэлектрика), соответственно будет мала индуктивность между этими электродами, поэтому для создания корректирующего поля потребуется источник 13 тока, значительно меньший по энергоемкости, чем основной источник 10 така, Обеспечение строго канцентричной поверхности виртуального катода, тем не менее, не обеспечивает максимальной плотности ионного пучка в фокусе.

Основнымн причинами этого являются отсутствие нейтрализации псиного пучка в ускоряющем зазоре и неполная 3Врядовая компенсация на участке транс-. портировки к мишени. Возможность получения факусирующей поверхности виртуал ного катода над щелью (выпуклая внут 1ь анод-катодного зазора форма силовых линии магнитного поля) в предлагаемом ускорителе ионов позволяет кампенсироват расходимасть ионного пучка, обус.".овленную ега неполной зарядовой компенсацией ° И максимально достигаемая степень фокусировки будет определяться температурой анодной . плазмы и температурой нейтрализирующих электронов.

Таким образом, в предлагаемом ускорителе применение токонесущего внутрикатодного электрода позволяет управлять плотностью ионного пучка на оси, достигая при этом наибольшего удельного энерговклада, ограниченного конечной температурой анаднай плазмы. Кроме того, появляется возможность оперативного, без разгерметизации устройства и замены электродов, управления удельным энергавкладам ионного пучка в мишень при сохранении его общего энерг запаса, йэмеl36056 няя соотношение токов двух исто яиков и формируя фокуснрующую, концентричную или дефокусиру1ощую поверхность ниртуального катода. Это расширяет

5 функциональные .возможности предлагаемого ускорителя ионов и улучшает эксплуатационные воэможности, поскольку большинство применений мощных ионных пучков (накачка лазеров, модификация понерхностей твердых тел, генерация нейтронных импульсов и т.п.) требуют Оптимального удепьного энер"".онклада ионного пучка в мишень.

Более подробно о моделировании, магнитных полей н предлагаемом ускорителе можно сообщить следующее. Модель соответствовала чертежу и состояла из наружного коаксиального цилиндра диаметром 120 мм, длиной 30 см,внутри которого были коаксиально установлены два цилиндра, имеющие прорези по своим образующим, электрически соединенные с наружным корпусом. Диаметр большего внутреннего цилиндра был равен 25, 60 мм, меньшего был равен 49 мм, В обоих внутренних цилиндрах были выполнены прорези. ширина ребра составляла "::9 мм, ширина прорези 12,5 мм.

Толщина стенок цилиндров из латуни была рани-r 1,5 мм. Датчиком магнитного поля служила многонитковая катушка высотой 4 мм (по радиусу) и длиной

50 мо в аксиальном направлении. Катушка н азимутальном напранленик имела размер 3 мм к была намотана на диэлектрическом кольце с внутренним," диаметром 60 мм так, что катушка могла перемещаться по азимуту над поверх ностью катода. На фкг. 2 показана

40, геометрия модели.

Сигнал с катушки интегрировался быстродействующим активным интегратор ром и регистрировался импульсным цифрОным вОльтметрома Форма импульса Од 45 новременно контролировалась запоминающим осциллографом. Временное разрешение аппаратуры составляло 0,5мкс, амплитудная погрешность Ь1%. В качестве импульсных источников тока слу" я0 жили емкостиые накопители одинаковой емкости С„ =- 2000 мкФ, время нарастания магнитного поля составляло 28мкс.

На фиг. 3 приведены результаты измерения распределения индукции магнит- 55 ного поля при перемещении датчика в азимутальном направлении. Под графиками показаны положения ребер и щели.

Показана часть окружности катода, 3

8 состо:щал из двух ребер и одной щели, развер;<утая н прямую линию. Распределение а на фиг. 3 получено при отключенном корректирующем источнике, Амплитуда тока источника составляла

1 кА. Это распределение индукции магнитного поля соответствует распределению поля н прототипе. Для этого распределения характерно наличие провала 40% в области над центром щелк. Распределение Ь получено при отключенном основном первом источнике тока и работе одного корректирующего источника. Амплитуда тока корректирующего источника составляла

1,87 кА для этого случая. Корректиру-. ющее поле, создаваемое этим источни-.. ком, над поверхностью катода знакопеременно.

Распределение с получено при одновременной работе двух источников тока при амплитуде тока первого источника 1,кА и амплитуде тока второго ис" точника 1,87 кА.

Для данной модели при отношении токов, равном 1,87, неоднородность магнитного поля над поверхностью катода не превышала 3%. Для отношения токов,меньших 1,87, наблюдалась неполная компенсация "пронисанкя" магнитного поля н области над щелью, при больших отношениях поле над щелью было больше величины поля над ребром.

Дефокусирующие свойства линзы, образующиеся при пронисании. силовых линий в щели, а также характерные траектории пучка ионов, распространяющегося из ускоряющего зазора в эквипотенциальное пространство, хорошо известны, Необходимо отметить, что углоная расходимость ионного пучка как н прототипе, так и в предлагаемом варианте ускорителя определяется поверхностью виртуального катода, совпада . щей с одной из магнитных понерхйостей над катодом. Мощный ионный пучок, пройдя поверхность виртуального катода и распространяясь в пространстве между катодом и дополнительнЫм электродом, оказывается эффективно (100%) нейтрализованным tro заряду холоднымй электронами из стенок катода илн плазменными электронами с поверхности диэлектрика. Высокая плотность мощного ионного пучка и его зарядовая нейтральность позволяют ему проходить без отклонения, благодаря механизму

7 13605 поляризационного дрейфа, область со значительным поперечным полем ме:кду катодом и дополнительным электродом, а также область провисания этого

5 (корректирующего) поля в щели допол-. нительного электрода °

Использование корректирующего поля, создаваемого при протекании импульса тока по цепи катод — дополнительный электрод, позволяет устранить негативное влияние этих двух определяющих факторов в предлагаемом ускорителе ионов для накачки лазерных сред. 1

Пример. Основные параметры ускорителя: напряжение на формирующей линии (pA 1 МВ; наружный диаметр

1 м; длина прорезей в катоде 2 м; длина ускорителя 3 м; жидкий диэлектрик — деионизованная вода; волновое сопротивление р 4 Ом; длительность импульса на нагрузке Т 100 нс.

При КПД коаксиального катода (диода) g 707 такой ускоритель обеспечит величину ионного тока в согласованном режиме

Ускоритель ионов для накачки лазера по авт. св. И -.11!6969,о т л и ч аю шийся тем, что, с целью увеличения удельного энерговклада в активную среду,. в него введен дополнительный источник тока, а внутри катода и коаксиально ему установлен цилиндрический электрод с прорезями по образующим напротив прорезей в катоде, один конец цилиндрического электрода соединен с корпусом ускорителя, а другой подключен к первому выводу дополнительного источника тока, второй вывод которого соединен с катодом ионной пушки.

В = 2 В„=5,71 кГс.

I = — > = 175 кА.

Щд а, ЗО

При анод-катодном зазоре d<<= 1,5 см и 2-кратном превышении ионным током плотности 3 необходимая площадь анода составит

S = I /j 2 = 3 8.10з см

Наружный диаметр катода при его 50Õ-ной прозрачности Р„= 12,5 см.

При толщине стенки катода и допол- 4О нительного электрода 3 мм и толщине скрепляющего их диэлектрика 4 мм диаметр дополнительного электрода составит 11 1 см. При работе. на уровне

2 В „д необходимая величина индукции составит

Величина тока . llo катоду, обе спечивающая 2 В«, будет равна

Гк

Для создания такого тока необходим емкос тный накопитель с э не ргозапасом не менее V, =40 кДж.

Индуктивность цепи катод — дополнительный электрод 1 составляет

40 нГ, при токе в этой цепи 356 кА

<еобходимый энергозапас корректирующего источника составит 2,7 кДж.

Экспериментально измеренная угловая расходимость в диоде, тождественном прото илу по конфигурации магнито ного поля, составила 2 =Ы,, а достижимая угловая расходимость прн компенсации провисания магнитного поля и наличии температуры анодной плазмы

5 эВ для приведенных экспериментов (ф д -0,5 МВ) составляет о = 0,2

Соответственно увеличение энергОвклада может составить величину (с /М- ) "100.

Предлагаемый ускоритель ионов отличает и высокая экономичность: энергозапас корректирующего источника не превышает 77. от энергозапаса основного источника тока.

Формула изобретения

13б0563 уФ

Составитель А, Кестерович

Редактор Т. Клюкина Техред H.Õîäàêè÷ Корректор N.Äåè÷èê

Заказ 1963

Тираж Подписное

БНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская нао., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, ц