Ионная пушка
1854I98
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
Союз Советских
Социалистических
Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) 3 а я влено 25.03.80 (21) 2898929/18-25 (51) М K-1 з
Н О1 J 37 08 с присоединением заявки ¹â€”
Государственный комитет (23) Приоритет—
СССР по делам изобретений и открытий
Опубликовано 15.04.82, Б1оллетепь ¹ 14
Дата опубликования оппсапня 15.04.82. (53) УДК 621.3.038. .628 (088.8) (72) Л втор А. М. Толопа изооретенпя
Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом институте им. С. М. Кирова (71) Заявитель (54) ИОННАЯ ПУШКА
Изобретение относится к ускорительной технике и может найти применение для получения сил ьноточных сфокусированных ионных пучков (ИП).
Известны ионные пушки, основанные на ионном диоде с магнитной изоляцией, в частности, содержащие коаксиальные, цилиндрические данод, катод и внешний соленоид для создания изолирующего магнитного поля (1).
В таких пушках анод выполнен в виде тонкого металлического цилиндра, внутренняя поверхность которого, обращенная к катоду, содержит водородосодержащие участки, а катод выполнен в виде системы массивных металлических колец с высокой электрической проводимостью (в частности, алюминиевых), расположенных аксиально с анодом.
К недостатку известных ионных пушек относится низкая энергетическая эффективность, связанная с ограниченной степенью фокусировки, вследствии того, что часть создаваемого магнитного потока протекает в заанодную область. В результате из-за сохранения канонического импульса ионы, движущиеся к оси внутри катода, будут иметь также и азпмутальную компоненту скорости.
Ближайшим техническим решением к изобретению является ионная пушка, содержащая цилиндрический катод и коаксиально расположенный охватывающий его анод, формиру1ощне кольцевой анод-катодный промежуток, а также магнитную систему, образованную двумя соленодами (2).
Магнитная система выполнена в виде двух раздельных соленоидов, помещенных
1р внутри катода в виде тонкой металлической сетки с низкой элек 1 рической IlpoBQдимостью. Лнод выполнен массивным из металла с высокой электрической проводи мостью.
Прн поступлении токового импульса в обмотку соленоида создается аксиальное магнитное поле.
Вследствие импульсного характера»агнитного поля и высокой проводимости ка20 тода магнитные силовые линии не проникают внутрь катодных колец, а располагаются параллельно огибак>щей поверхности катода, образуя изолирующую магнитную
«подушку». Прн достижении максимума напряженности магнит1;ого поля на анод поступает высоковольтный импульс напряжения положительной полярности. Прп этом по поверхности водородосодержащнх участков анода, за счет переходных про30 цессов, происходит эле сгрнческнй пробой, 60
65 и генерируется поверхностная плазма, служащая источником ионов. Аксиальпос магнитное поле препятствует протека|иио в анод-катодном (А — К) зазоре электронного тока. Ионы, вытягиваемые электрическим полем в сторону катода, движутся к осп системы через зазоры между кольцами, образуя линейно сходящийся ионный пучок. Вследствие высокой проводимости анода и низкой проводимости катода импульсное магнитное изолирующее поле занимает пространство, ограниченное снаружи анодом, н ионы при движении к оси проходят нулевой маги пный поток и пе имеют па оси азимутальную компоненту скорости.
Однако низкое качество <рокусировки ионов, свойственное известной пушке, обусловлено тем, что внутри катодной полости ионный пучок распространяется перпендикулярно к магнитным силовым линиям и поэтому не сопровождается медленными электронами, Это вызывает нарушение нейтрализации ионного пучка внутри катода, приводящее к увеличению «температуры» пучка, т. е. его угловой расходимости. Это не позволяет получать плотный линейный фокус lie оси ИП.
Вследствие большой проводимости электронов вдоль силовых линий магнигного поля, электроны дрейфуют к краям
А — 1(зазора, и в краевь,х электрических полях анода наблюдаются большие утечки электронов на анод.
Целью изобретения является улучшение фокусировки ионного пучка.
Достигается это тем, что в известной ионной пушкс, содержащей цилиндрический катод и коаксиально расположенный охватывающий его анод, формирующие кольцевой анод-катодный промежуток, а такжс магнитную систему, образовап ную двумя соленоидами, оба соленоида установлены между катодом и анодом так, что каждый из соленоидов частично расположен в анод-катодном промежутке.
На чертеже приведен;| принципиальная схема устройства, содержащая цилиндрические коаксиально расположенные анод 1, катод 2 и размещенные между катодо:1 анодом кату|пки соленоида 3.
Устройство работает следующим образом.
При подаче токового импульса в катушке соленоида создается аксиальное изолирующее магнитное поле, которое ограничено катодом и анодом, вследствие скин-эффекта. При достижении необходимого значения напряженности магнитного поля в
А — К зазоре на анод поступает импульс напряжения положительной полярности.
В это время Ila поверхности анода, которая обращена к катоду, формируется плазма, служащая источником ионов. Меха5
Зо
4Î
55,f ш|зм образования плазмы может быть различным, например пробой по поверхности водородосодержащих участков за счет переходных процессов или создание иа поверхности анода металлической плазмы с помощью лазеров и т. д. Ионы, сорт которых будет определяться сортом созданной плазмы, ускоряясь в А--К зазоре, IlpoYi)дят через кольцевые прорези в катоде и движутся к оси ИП, образуя линейно сходящпАса ионный пучок.
В качестве примера необходимых значений магнитного поля рассмотрим ИП с напряжением в 1 Мэв. При А — К зазоре в 1 см индукция магнитного поля для предотвращения протекания электронного тока (В,.р ) должна быть для этого зазора
3,5 кГс, Катушки можно намотать на заземленном катоде с двухслойной обмоткой из фольги толщиной 0,05 см, что вместе с межслойной изоляцией займет 0,4 см.
Таким образом зазор анод-катушка будет равен =0,5 см и для этого зазора В „р =
=7 кГс. При расстоянии между катушками 8 см отношение индукции магнитного поля в зазоре анод-катушка к индукции в середине А — К зазора будет равно 8. Таким образом, если в области А — К зазора, где происходит ускорение ионов, обеспечиваем В „р для этого зазора, то в зазоре анод-катушки будет поле, в четыре раза превышающее В„р для этого зазора. Наличие па краях А — К зазора магнитных
«пробок» не позволяет электронам дрейфовать к краям А — К зазора.
Расположение части катушек вне А — К зазора необходимо для того, чтобы предотвратить попадание электронов с катода на анод в области, где е;це имеется сильное электрическое поле анода.
Выполнение катода и анода массивными из металла с высокой электрической проводимостью и размещение катушек соленоида в А — К зазоре отличает предложенную ИП от известных, позволяет в одном устройстве сочетать необходимые качества, производить транспортировку ионного пучка зарядов нейтрализованным, обеспечивать отсутствие азимутальной компоненты скорости ионов на оси ИП.
Кроме того, благодаря указанному размещению катушек можно снизить утечки электронов на анод и затраты на создание магнитного поля, что значительно повышает энергетическую эффективность создани з плотного линейного фокуса ионов на оси
ИП.
Формула пзобретсниll
Иоlшая пушка, содержащая цплпнд1зпческий катод и коакспальпо расположенный охватыва|ощий его анод, формпруlощие колъпевой анод-катодпый IIpnllles 854198 Составитель В. Обухов Техред И. Пенчко Коррек.ор Е, Михеева Редактор И, Гохфельд Подписное Изд. ¹ 133 Тира:к 758 ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобр;тений п открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская иаб., д 4)5 Заказ 3100 Загорская типография чирио".èãðàô".3 tита Мособлисиолкома ванную двумя соленоидами, о 1 л и ч аю щ а я с я тем, что с целью улучшения фокусировки ионного пучка, оба соленоида установлены между катодом и анодом так, что каждый из соленоидов частично расположен в анод-катодноAt промежутке. Источники иифор..1ации, принятые во внимание ири эксперти"-:å 1. Gelnspatl М. А., Напнпег Г). Л., 8и6 dan К. Х. Production of ir!tense focused ion beam in à spherical magnetically insulated diod. Journal of Арр11еа Physics., x. 50, х 5, 1979, с. 3032. 2. Панадичев В. Л. Получение, транспортировка и фокусировка ионных пучков. Лтомная техника 3а рубежом, ¹ !2, 1978, с. 11 (прототип). 
