Импульсный источник трубчатой плазмы с управляемым радиусом в магнитном поле



Импульсный источник трубчатой плазмы с управляемым радиусом в магнитном поле
Импульсный источник трубчатой плазмы с управляемым радиусом в магнитном поле

 


Владельцы патента RU 2580513:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук (RU)

Изобретение относится к плазменной электронике и может быть использовано при создании СВЧ-генераторов на основе взаимодействия электронных пучков с плазмой. Устройство содержит размещенные в однородном магнитном поле коаксиально расположенные в вакуумной камере кольцевой диск с центральным отверстием и с закрепленным на нем кольцевым термокатодом, трубку-сепаратор, выполненную по размерам центрального отверстия и установленную со стороны кольцевого термокатода, причем направление однородного магнитного поля совпадает с их осью симметрии, а также катушку индуктивности, соединенную с управляемым источником питания и выполненную с возможностью изменения напряженности магнитного поля в вакуумной камере для управления размерами трубчатой плазмы, а трубка-сепаратор изготавливается из металла с высокой проводимостью и толщиной стенки, исключающими проникновение через нее импульсного магнитного поля катушки индуктивности. Технический результат - повышение управляемости устройства путем обеспечения возможности увеличивать и уменьшать поперечные размеры плазменной трубки без смены термокатода и без воздействия на сильноточный электронный пучок, распространяющийся внутри трубки-сепаратора. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к плазменной электронике и может быть использовано при создании СВЧ-генераторов на основе взаимодействия электронных пучков с плазмой.

Известны источники плазмы (пушка Бостика, газоразрядные лампы и т.п.), создающие плазму разряда между высоковольтными электродами.

Недостатком устройств является относительно узкие функциональные возможности, обусловленные тем, что генерируемая плазма распространяется не только вдоль силовых линий магнитного поля, но и в других направлениях, включая поперек магнитных линий, в результате чего трубчатая форма плазмы сохраняется лишь на очень небольшом расстоянии (порядка радиуса) от кольцевого источника.

Известны также более сложные устройства. Одно из таких устройств [RU 2454749, H01J 37/04, H01S 3/0975, 27.06.2012] содержит генератор накачки, обеспечивающий высоковольтные импульсы напряжения с амплитудой более 20 кВ, длительностью не более 100 не с τф≤30 нс, соединенный с индуктором возбуждения, расположенным на диэлектрической трубке с активной газовой средой, ограниченной котировочными узлами, состоящим из n параллельно включенных соленоидов с плотной намоткой и общей индуктивностью, удовлетворяющей соотношению 50 нГн ≤ L/n ≤ 500 нГн, где L - индуктивность одного соленоида, причем соленоиды разделены между собой расстоянием h, удовлетворяющим условию h≤Н, обеспечивающим зажигание импульсного поперечно-продольного индукционного разряда, длина которого определяется условием n·H+(n-1)·h, при этом каждый соленоид имеет m витков, удовлетворяющих условию m≤20, плотно намотанных изолированным многожильным проводом или медной шиной с шагом намотки, удовлетворяющим условию W/5, где W - ширина медной шины, при этом ширина намотки одного соленоида соответствует величине Н.

Недостатком устройства является относительно высокая сложность и относительно узкие функциональные возможности, ограничивающие его применение для формирования трубчатой плазмы.

Кроме того, известно устройство для получения потока плазмы [RU 2330393, Н05Н 1/00, 27.07.2008], включающее два коаксиальных ускоряющих электрода, подключенных к импульсному емкостному накопителю энергии и отделенных друг от друга диэлектрической вставкой, дополнительный электрод, включенный в цепь дополнительного емкостного накопителя энергии, и узел напуска газа, выполненный в виде камеры с внутренней газопроницаемой цилиндрической перегородкой, противолежащей торцам упомянутых коаксиальных ускоряющих электродов и заполненной гранулами из газосодержащего вещества, камера снабжена первым бункером и вибратором для подачи упомянутых гранул, а также вторым бункером для сбора использованных гранул, дно камеры снабжено трубкой для удаления использованных гранул во второй бункер, при этом размещенный во втором бункере нижний конец упомянутой трубки отогнут вбок, упомянутый дополнительный электрод установлен внутри первого бункера и имеет на боковой поверхности электроизоляционное покрытие, а упомянутая газопроницаемая перегородка выполнена в виде сетки с размером ячеек, меньшим минимального размера гранул.

Недостатком этого устройства также является относительно высокая сложность и относительно узкие функциональные возможности, ограничивающие его применение для формирования трубчатой плазмы.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному является аксиально-симметричное устройство [Кузелев М.В., Мухаметзянов Ф.X., Рабинович М.С. и др. Релятивистский плазменный СВЧ-генератор // ЖЭТФ, 1982, т. 83, с. 1358 // ДАН СССР, 1982, т. 267, с. 829] в однородном магнитном поле, совпадающем по направлению с осью симметрии, которое содержит коаксиально расположенные вакуумную камеру, кольцевой термокатод и трубку-сепаратор внутри него, а также кольцевой диск, на котором закреплены термокатод и сепаратор.

В этом устройстве термокатод генерирует трубчатый поток электронов, которые распространяются строго вдоль магнитного поля и ионизируют газ низкого давления в вакуумной камере, т.е. создают плазму трубчатой формы с достаточной длиной, определяемой длиной вакуумной камеры. Трубка-сепаратор предохраняет термокатод при его случайной деформации от любой возможности попадания на него (а с него - во внешние электрические цепи) релятивистских электронов, распространяющихся в сильноточном пучке внутри трубки.

Недостатком наиболее близкого технического решения является относительно низкая управляемость, в частности размера (диаметра) генерируемой трубчатой плазмы, внешний и внутренний радиусы которой в этом устройстве совпадают с внешним и внутренним радиусами кольцевого термокатода. Изменить размеры (диаметр) генерируемой трубчатой плазмы в этом устройстве невозможно без замены термокатода.

Задача, на решение которой направлено изобретение, и требуемый технический результат заключаются в повышении управляемости устройства путем обеспечения возможности увеличивать и уменьшать поперечные размеры плазменной трубки без смены термокатода и без воздействия на сильноточный электронный пучок, распространяющийся внутри трубки-сепаратора.

Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее размещенные в однородном магнитном поле коаксиально расположенные в вакуумной камере кольцевой диск с центральным отверстием и с закрепленным на нем кольцевым термокатодом, а также трубку-сепаратор, выполненную по размерам центрального отверстия и установленную со стороны кольцевого термокатода, причем направление однородного магнитного поля совпадает с их осью симметрии, согласно изобретению введена катушка индуктивности, соединенная с управляемым источником питания и выполненная с возможностью изменения напряженности магнитного поля в вакуумной камере для управления размерами трубчатой плазмы, а трубка-сепаратор изготавливается из металла с высокой проводимостью и толщиной стенки, исключающими проникновение через нее импульсного магнитного поля катушки индуктивности.

Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что полупериод импульса магнитного поля катушки индуктивности равен 70 мкс, в качестве металла с высокой проводимостью для изготовления трубки-сепаратора используют медь, а толщина стенки трубки-сепаратора равна не менее 2 мм.

Сопоставительный анализ с наиболее близким техническим решением показывает, что заявляемое устройство отличается тем, что содержит катушку индуктивности с источником питания, создающую в области кольцевого термокатода импульсное магнитное поле, которое ослабляет или усиливает внешнее однородное магнитное поле, а трубка-сепаратор изготавливается из металла с высокой проводимостью и толщиной стенки, исключающими проникновение через нее импульсного магнитного поля катушки индуктивности в область распространения релятивистских электронов. Это позволяет сделать вывод о соответствии предложения критерию "новизна".

Кроме того, в известных источниках информации не обнаружено сведений о возможности управления размерами трубчатой плазмы в магнитном поле путем использования вновь введенных отличительных признаков. Следовательно, предложение отвечает критерию «изобретательский уровень».

Дополнительно к отмеченному, все элементы устройства выполнены из распространенных материалов по известным технологиям, что позволяет сделать вывод о соответствии предложения критерию «промышленная применимость».

На чертеже представлены:

на фиг. 1 - импульсный источник трубчатой плазмы с управляемым радиусом в магнитном поле, в разрезе (для частного случая, когда магнитным полем катушки индуктивности ослабляется магнитное поле в вакуумной камере);

на фиг. 2 - конструкция наиболее близкого технического решения (прототипа).

На чертеже обозначены: 1 - вакуумная камера; 2 - кольцевой диск, 3 - поток релятивистских электронов, 4 - кольцевой термокатод, 5 - трубка-сепаратор, 6 - границы трубчатой плазмы (пунктир), 7 - катушка индуктивности.

Импульсный источник трубчатой плазмы с управляемым радиусом в магнитном поле содержит размещенные в однородном магнитном поле коаксиально расположенные в вакуумной камере 1 кольцевой диск 2 с центральным отверстием и с закрепленным на нем кольцевым термокатодом 4, трубку-сепаратор 5, выполненную по размерам центрального отверстия и установленную со стороны кольцевого термокатода 4, причем направление однородного магнитного поля совпадает с их осью симметрии, а также катушку 7 индуктивности, соединенную с управляемым источником питания и выполненную с возможностью изменения напряженности магнитного поля в вакуумной камере 1 для управления размерами трубчатой плазмы, а трубка-сепаратор 5 изготавливается из металла с высокой проводимостью и толщиной стенки, исключающими проникновение через нее импульсного магнитного поля катушки индуктивности 7.

В устройстве полупериод импульса магнитного поля катушки равен 70 мкс, в качестве металла с высокой проводимостью для изготовления трубки-сепаратора используют медь, а толщина стенки трубки-сепаратора равна не менее 2 мм.

Работает импульсный источник трубчатой плазмы с управляемым радиусом в магнитном поле следующим образом.

Кольцевой термокатод 4 генерирует трубчатый поток электронов, которые распространяются строго вдоль силовых линий магнитного поля и ионизируют газ низкого давления в вакуумной камере 1, т.е. создают плазму трубчатой формы с границами 6. Трубка-сепаратор 5 предохраняет кольцевой термокатод 4 при его случайной деформации от любой возможности попадания на него (а с него - во внешние электрические цепи) потока 3 релятивистских электронов, распространяющихся в сильноточном пучке внутри трубки-сепараторе 5.

Магнитное поле в катушке 7 индуктивности создается током, амплитуду и направление которого можно изменять от импульса к импульсу. В случае совпадения направлений магнитного поля катушки 7 индуктивности и внешнего магнитного поля, т.е. при усилении суммарного магнитного поля в области кольцевого термокатода 4, магнитные силовые линии при удалении от катушки 7 индуктивности расходятся вместе с электронами, ионизирующими газ, и поперечный размер трубчатой плазмы увеличивается по сравнению с размером термокатода (фиг. 1). При ослаблении магнитного поля в области кольцевого термокатода 4, наоборот, поперечный размер трубчатой плазмы на удалении от катушки 7 индуктивности и кольцевого термокатода 4 уменьшается, плазма приближается к потоку релятивистских электронов, увеличивая эффективность взаимодействия с ним. Импульсное магнитное поле катушки 7 индуктивности не проникает сквозь стенки трубки-сепаратора (трубка-сепаратор 5 изготавливается из металла с высокой проводимостью и толщиной стенки, исключающими проникновение через нее импульсного магнитного поля катушки индуктивности 7), поэтому магнитное поле внутри нее в области распространения релятивистских электронов не меняется, оставаясь равным внешнему однородному полю, и траектории движения электронов не искажаются.

Таким образом, благодаря введению таких существенных признаков, как использование катушки индуктивности, соединенной с управляемым источником питания и выполненной с возможностью изменения напряженности магнитного поля в вакуумной камере для управления размерами трубчатой плазмы, изготовления трубки-сепаратора из металла с высокой проводимостью и толщиной стенки, исключающими проникновение через нее импульсного магнитного поля катушки индуктивности, достигается требуемый технический результат повышения управляемости устройства, поскольку обеспечивается возможность увеличивать и уменьшать поперечные размеры плазменной трубки без смены термокатода и без воздействия на сильноточный электронный пучок, распространяющийся внутри трубки-сепаратора.

1. Импульсный источник трубчатой плазмы с управляемым радиусом в магнитном поле, содержащий размещенные в однородном магнитном поле коаксиально расположенные в вакуумной камере кольцевой диск с центральным отверстием и с закрепленным на нем кольцевым термокатодом, а также трубку-сепаратор, выполненную по размерам центрального отверстия и установленную со стороны кольцевого термокатода, причем направление однородного магнитного поля совпадает с их осью симметрии, отличающийся тем, что введена катушка индуктивности, соединенная с управляемым источником питания и выполненная с возможностью изменения напряженности магнитного поля в вакуумной камере для управления размерами трубчатой плазмы, а трубка-сепаратор изготавливается из металла с высокой проводимостью и толщиной стенки, исключающими проникновение через нее импульсного магнитного поля катушки индуктивности.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что полупериод импульса магнитного поля катушки индуктивности равен 70 мкс, в качестве металла с высокой проводимостью для изготовления трубки-сепаратора используют медь, а толщина стенки трубки-сепаратора равна не менее 2 мм.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способам и устройствам для возбуждения объемного самостоятельного импульсного продольного разряда в газовых средах для создания источников спонтанного или когерентного излучения.

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при создании импульсно-периодических лазеров на парах химических элементов. .

Изобретение относится к области газовых лазеров и может использоваться в конструкциях импульсных газовых лазеров, возбуждаемых быстрым продольным разрядом, например, в лазерах на второй положительной системе полос молекулярного азота (азотных лазерах).

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано в медицине при лечении внутриполостных инфекций, в микроэлектронике, лазерной химии и в технологических процессах, требующих мощные УФ-излучения.

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при разработке и производстве волноводных СО2-лазеров, возбуждаемых высокочастотным полем и имеющих складной двухканальный резонатор.

Изобретение относится к лазерной технике. .

Изобретение относится к мощной квантовой электронике и может быть использовано при создании импульсно-периодических лазеров на самоограниченных переходах атомов металлов.

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при конструировании линейных и кольцевых газовых лазерных приборов с ВЧ возбуждением. .

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при создании газоразрядных лазеров. .

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при создании технологических газовых лазеров . .

Изобретение относится к области исследования физических свойств вещества, в частности к исследованию процессов в газоразрядных приборах и плазме. Между электродами при фиксированном расстоянии между ними подается напряжение, возникающий ток плавит и испаряет тонкую металлическую проволочку, которая размещается в свободном пространстве между электродами при таком расстоянии между ними, при котором разряд без проволочки самопроизвольно не возникает, а между электродами создаются условия для лавинного пробоя разрядного промежутка.

Изобретение относится к электронным линзам, а точнее к иммерсионным магнитным объективам, и может быть использовано при формировании эмиссионного изображения исследуемого объекта на люминесцентном экране эмиссионного электронного микроскопа.

Изобретение относится к вакуумно-плазменной технике, а именно к источникам атомов металла, преимущественно для синтеза на изделиях в вакуумной камере износостойких нанокомпозитных покрытий, и к источникам быстрых молекул газа, преимущественно для очистки и нагрева изделий перед синтезом покрытий для повышения их адгезии к изделию, а также для бомбардировки быстрыми молекулами поверхности покрытия.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к способам тестирования параметров планарных полупроводниковых светодиодных гетероструктур (ППСГ) на основе GaN.

Изобретение относится к способам и устройствам для возбуждения объемного самостоятельного импульсного продольного разряда в газовых средах для создания источников спонтанного или когерентного излучения.

Изобретение относится к области исследования физических свойств вещества, в частности, к исследованию процессов в газоразрядных приборах и плазме. .

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике и может быть использовано при создании сильноточных релятивистских импульсных источников микроволн для защиты их генераторных секций от коллекторной плазмы и отраженных электронов. Устройство представляет собой трубу с поперечным размером, превышающим поперечный размер электронного пучка, формируемого генераторной секцией, и с продольным размером, превышающим длину распространения плазмы с коллектора со скоростью 3·107 см/с в течение импульса, а поверх трубы выполнена соединенная с источником тока винтовая обмотка, создающая перпендикулярное сечению трубы магнитное поле, силовые линии которого переходят в генераторную секцию, при этом входной торец трубы перекрыт пластиной, устанавливаемой поперек трубы на половину поперечного сечения, а труба, выполненная с поперечным размером, превышающим не менее чем вдвое поперечный размер электронного пучка в генераторной секции, изогнута по дуге на установленный угол. Технический результат - повышение защитных характеристик устройства. 2 ил.
Наверх