Коаксиальный диод с магнитной изоляцией импульсного сильноточного ускорителя релятивистского электронного пучка микросекундной длительности

 

Сущность изобретения: диод содержит взрывоэмиссионный катод, закрепленный на катододержателе, вакуумную камеру, которая одновременно служит анодом, и соленоид. Катод выполнен в виде кольца клинообразного сечения с радиально направленным наружу острым краем, внешний радиус которого задает фиксированную магнитную силовую трубку, причем расстояние от этой трубки до любой точки катододержателя, с которой возможна эмиссия, больше длины разлета поперек магнитного поля плазмы, образующейся на катододержателе, в течение длительности импульса. 4 ил.

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при создании сильноточных релятивистских импульсных электронных ускорителей микросекундного диапазона.

Известен коаксиальный диод с магнитной изоляцией (КДМИ) сильноточного ускорителя релятивистского электронного пучка (РЭП) микросекундной длительности, содержащий катододержатель с закрепленным на нем взрывоэмиссионным катодом, расположенный в вакуумной камере внутри соленоида.

Наиболее близким к изобретению техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является КДМИ, содержащий катододержатель с закрепленным на нем взрывоэмиссионным катодом, расположенный в вакуумной камере внутри соленоида, создающего магнитную пробку в районе катода.

Недостатками прототипа являются то, что, во-первых, электроны пучка, образованного в магнитной пробке, всегда имеют значительную поперечную скорость, причем тем большую, чем сильнее пробка, и, во-вторых, эмиттирующая электроны плазма с боковой поверхности катода, расширясь по нормали к поверхности, т. е. поперек магнитного поля, способствует увеличению среднего радиуса трубчатого пучка. При этом чем слабее пробка, тем больше плазмы участвует в этом процессе. Это связано с тем, что плазма движется в сторону, противоположную градиенту давления, поэтому под действием давления со стороны соседних участков (боковых и внутреннего по радиусу) образованная на поверхности протяженного по длине катода плазма "выдавливается" в сторону увеличения радиуса. Такой механизм определяет длину разлета, т.е. расстояние, на которое смещается плазма за время длительности импульса.

Технической задачей изобретения является стабилизация внешнего радиуса электронного пучка в течение микросекундных интервалов времени за счет практически полного отсутствия боковой поверхности катода и катододержателя, с которой возможен разлет поперек магнитного поля плазмы, эмиттирующей электроны в направлении движения электронов пучка.

Это достигается тем, что катод выполнен в виде кольца клинообразного сечения с радиально направленным наружу острым краем, внешний радиус которого определяет фиксированную магнитную силовую трубку (поверхность), причем расстояние от любой точки этой трубки до любой токи катододержателя, с которой возможна эмиссия, больше длины разлета поперек магнитного поля плазмы, образующейся на катододержателе, в течение длительности импульса. Напряженность электрического поля на участках поверхности катододержателя, для которого указанное условие не выполняется (т.е. находящихся вблизи поверхности магнитной силовой трубки, например сферическая часть держателя на фиг.1), недостаточна для развития процесса эмиссии за время импульса.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый КДМИ отличается значительно меньшей площадью боковой поверхности, с которой возможна эмиссия, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "новизна".

Известны разные формы диода с острийными (лезвийными) катодами. В ряде случаев острия направлены непосредственно в сторону анода, являющегося одновременно коллектором электронов. В случае КДМИ электроны летят в сторону коллектора параллельно поверхности анода, не приближаясь к ней. Но в любом случае электронный пучок формируется по направлению острия. Сами острия делаются для того, чтобы увеличить напряженность электрического поля, а вместе с ней эмиссию с них электронов.

В нашем случае направление тока перпендикулярно направлению острия на анодную трубу. Острый край применяется, чтобы минимизировать (а в идеале полностью запретить) эмиссию с него электронов (а следовательно, разогрев поверхности, образование плазмы, ее разлет, и т.д.).

При сравнении заявляемого решения с другими известными техническими решениями в данной области техники не обнаружены решения, обладающие сходными признаками и решающие аналогичные технические задачи, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 представлен КДМИ, общий вид; на фиг.2 и 3 показаны два (из многих возможных) способа крепления тонкого кольцевого катода на катододержателе и радиальное распределение плотности тока электронного пучка, полученного в этих условиях; на фиг.4 показано то же распределение, но соответствующее катоду с большой площадью боковой поверхности, как, например, в прототипе.

КДМИ содержит взрывоэмиссионный катод 1, выполненный в виде кольца клинообразного сечения с радиально направленным наружу острым краем, расположенный на катододержателе 2 в вакуумной камере 3, которая одновременно служит анодом. Магнитное поле с индукцией ≈ 1 Тл в районе катода создается соленоидом 4. Магнитная силовая трубка 5 определяется внешним радиусом катода.

КДМИ работает следующим образом.

При появлении высокого напряжения на катоде 1 и держателе 2 автоэлектронная эмиссия разогревает их поверхности, и образующаяся вследствие этого плазма служит в дальнейшем эмиттером электронов. Неоднократно приводимая в литературе величина скорости поперечного (по отношению к магнитному полю) движения плазмы изменяется в пределах v_┴ = (1,5-4) ^.10⁵ см/с, причем количество плазмы и ее скорость тем больше, чем больше отбор тока с ее поверхности. Электроны, эмиттированные с поверхности катододержателя и распространяющиеся в сильном ( ≈ 1 Т) магнитном поле вдоль силовых линий, оказываются запертыми между поверхностями, потенциал которых равен полной энергии частиц, приведенной к единице заряда. Вследствие этого происходит экранировка поверхности катододержателя пространственным зарядом электронов, и дальнейшая эмиссия прекращается. Образовавшаяся плазма с катододержателя не успевает за время импульса τ выйти за пределы магнитной силовой трубки, определяемой внешним радиусом катода v_┴ ˙ τ < Δr, где Δ r - максимально допустимая длина поперечного разлета (равная наименьшему расстоянию от любой точки катододержателя 2 до любой точки магнитной силовой трубки 5). Плазма с торцовой поверхности катода под действием электрического поля распространяется вдоль магнитного поля системы и не изменяет радиуса пучка, а количество плазмы, образующейся на боковой поверхности, незначительно из-за малой площади последней, и эмиттированные из нее электроны не вносят заметного вклада в ток пучка. На фиг.2 и 3 видно, что внешний радиус катода 1 превышает радиус катододержателя 2 более чем на 3 мм ( Δr ≅ 3 мм), при указанной выше скорости поперечного движения v₁ = (1,5-4) ^.10⁵ см/с плазма не успевает за время измерений τ = 700 нс скомпенсировать эту разницу радиусов.

Радиальный профиль плотности тока РЭП измерялся секционированным коллекторным приемником, расположенным на расстоянии Ъ 30 см от катода 1. Результаты измерений представлены на фиг.2-4. На гистограммах показано распределение плотности тока пучка J по радиусу r в различные моменты времени для двух различных способов крепления катода 1: на коаксиальном держателе 2 конусной формы (фиг.2) и на держателе 2, выполненном в виде двух отдельных стержней-подвесов (фиг.3). Ноль отсчета на оси абсцисс соответствует внешнему радиусу катода. Видно, что средний радиус РЭП практически не изменяется за время измерений, при этом толщина пуска примерно соответствует ширине торцовой части катода. Несмотря на то, что толщина пучка на фиг.3 в целом существенно меньше, чем на фиг.2, его азимутальная неоднородность, связанная с эмиссией электронов со стержней-подвесов, ограничивает область применения такой конструкции. Катод с большой площадью боковой поверхности, т. е. прототип (фиг.4), формирует пучок, радиальный профиль плотности тока которого существенно изменяется в течение длительности импульса (керн распределения плотности тока пучка смещается вправо по оси абсцисс с течением времени).

Таким образом, использование изобретения позволяет получать трубчатые сильноточные РЭП микросекундной длительности, у которых радиальный профиль плотности тока практически не изменяется за время импульса.

Формула изобретения

КОАКСИАЛЬНЫЙ ДИОД С МАГНИТНОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ ИМПУЛЬСНОГО СИЛЬНОТОЧНОГО УСКОРИТЕЛЯ РЕЛЯТИВИСТСКОГО ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА МИКРОСЕКУНДНОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ, содержащий катододержатель с закрепленным на нем взрывоэмиссионным катодом, расположенный в вакуумной камере внутри соленоида, отличающийся тем, что катод выполнен в виде кольца клинообразного сечения с радиально направленным наружу острым краем, внешний радиус которого определяет фиксированную магнитную силовую трубку, причем расстояние от любой точки этой трубки до любой точки катододержателя, с которой возможна эмиссия, больше длины разлета поперек магнитного поля плазмы, образующейся на катододержателе, за время длительности импульса.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4