Ионная пушка

 

ИОННАЯПУШКА на основе высоковольтного отражательного тетрода, содержащая корпус, катод, анод, установленный на высоковольтном вводе , и соленоид,для создания магнитного поля в зазоре катодом и анодом, отличающаяся тем, что, с целью повышения длительности рабочего импульса, введена система импульсной подачи газа, анод и -катод выполнены в виде трубопроводов одинаковой длины,электрически связанных с корпусом, подсоединенных к системе импульсной подачи газа и заканчивающихся обращенными друг к другу выходными каналами в виде сопл Лаваля с полууглом раскрытия Л , оси которых параллельны и образуют с направлением магнитного поля угол 90°±ot , при этом анодный трубопровод от точки соединения с корпусом до высоковольтного ввода имеет Форму спирали. Л

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (19) (11) 225 А

3(51) Н 01 J 27/04

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (1

1 (21) 3293064/18-25 (22) 25.05.81 (46) 30. 09. 83. Бюл. Р 36 (72) С.С.Сулакшин (71) Научно-исследовательский институт ядерной Физики при Томском политехническом институте имени С.М. Кирова (53) 621 . 53. 8 (088. 8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

Р 605480, кл. Н 05 Н 5/00, 1977.

2. Авторское свидетельство СССР

В 660543, кл. Н 05 Н 5/00, 1978. (54)(57) ИОННАЯ ПУШКА на основе высоковольтного отражательного тетрада, содержащая корпус, катод, анод, установленный на высоковольтном вводе, и соленоид,для создания магнитного поля в зазоре между катодом и анодом, отличающаяся тем, что, с целью повышения длительности рабочего импульса, введена система импульсной подачи газа, анод и катод выполнены в виде трубопроводов одинаковой длины, электрически связанных с корпусом, подсоединенных к системе импульсной подачи газа и заканчивающихся обращенными друг к другу выходными каналами в виде сопл Лаваля с полууглом раскрытия (6, оси которых параллельны и образуют с направлением магнитного поля угол

900+ () ., при этом анодный трубопровод от точки соединения с корпусом до высоковольтного ввода имеет З

Форму спирали.

986225

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть исполь; зовано для получения сильноточных ионных пучков большой длительности.

Сильноточные ионные пучки находят в настоящее время широкое применение в исследованиях по нагреву плазмы для термоядерного синтеза, при обработке материалов путем нагрева или имплантации в технологических целях и т.д. 10

Известны ионные пушки, предназна-. ченные для получения сильноточных пучков, представляющих собой системы двух типов. Это магнитоизолированные .диоды и отражательные системы, отличающиеся направлением внешнего магнитного поля P1) .

У первых оно поперечно к ускоряюцему электрическому полю. У отражательных систем направления полей совпадают. 11агнитоизолированные диоды позволяют генерировать длительные ионные пучки, достигающие нескольких секунд. Эта возможность связана с тем, что наложение поперечного магнитного поля на анод-катодный (А-К) зазор тормозит движение анодной и катодной плазмы так, что ее скорость не превышает 0,5i10 см/с.

Существенным недостатком магнитоизолированных диодов является небольшой ионный ток, превышающий ток, ограниченный па закону "трех вторых", в лучшем случае в 2-6 раз. Значительно больший ионный ток генерируется в отражательных системах. 35

Ближайшим техническим решением является ионная пушка на основе высоковольтного отражательного тетрода, содержащая корпус, катод, анод, установленный на высоковольтном вводе, 40 и соленоид.для создания магнитного поля в зазоре между катодом и анодом f2) .

Анод пушки составлен из тонкой водородсодержащей пленки и метал- 45 лической сетки со стороны катода.

Противолежащий ему сплошной заземленный катод выполнен из проводящего материала, например углерода.

Недостатком известной. пушки является невозможность генерации ионного пучка, превышающего по длительности несколько десятков нс, обусловленная расширением взрывоэмиссионной катодной плазмы, и перемещение A — К зазора.

Целью изобретения является повышение длительности рабочего импульса. Эта цель достигается тем, что в известную ионную пушку на основе высоковольтного отражательного тетрода,60 содержащую корпус, катод, анод, установленный на высоковольтном вводе, и соленоид .для создания магнитного поля в зазоре между катодом и анодом, введена система импульсной подачи газа, анод и катод выполнены в виде трубопроводов одинаковой длины, электрически связанных с корпусом, подсоединенных к системе импульсной подачи газа и заканчивающихся обращенными друг к другу выходными каналами, в виде сопл Лаваля с полууглом раскрытия g(, оси которых параллельны и образуют с направлением магнитного. поля угол P = 90О+ Х, при этом анодный трубопровод от точки соединения с корпусом до высоковольтного ввода имеет форму спирали.

Сущность изобретения поясняется чертежом.

В соленоид 1 помещен анод 2, установленный на высоковольтном вво. де 3. С некоторым зазором по отношению к аноду расположен катод 4.

Катод.и анод представляют собой трубопроводы, заканчивающиеся каналами в виде сопл Лаваля 5. Анодная и катодная труба проходят через заземленный корпус и подсоединены к сйстеме ймпульсной подачи газа 6.

Анодный трубопровод на участке от точки соединения с корпусом до точки подсоединения высоковольтного ввода выполнен в виде спирали 7.

Работает ионная пушка следующим образом, После включения соленоида 1,создаюцего продольное магнитное поле; срабатывает импульсная система подачи газа 6 и в вакуумированные катодную и анодную трубопроводы выбрасывается порция газа. Анод и катод при этом работают в режиме ударных труб с резкой границей газ-вакуум на переднем фронте. Дойдя до сопл

Лаваля 5, газ выбрасывается в объем пушки в виде струй с полууглом рас- ходимости M . Для обеспечения лучшего взаимодействия с магнитным полем направления осей сопл составляют с линиями магнитного поля угол

P .=- 90 + оС . В соответствии с чертежом для анода p<1 = 90О+ а6, а для катода pg = 90 — «, или наоборот.

Пространственная ограниченность струи вдоль ее оси обеспечивается ограниченным временем истечения газа, спустя которое срабатывает ускоритель.

Для электрической развязки высоковольтного анода, на который приходит заземленная анодная труба, она выполнена в виде спирали, индуктивное сопротивление которой должно быть большим. После сформирования катодной и анодной струй подается высокое положительное напряжение на анод. При этом, если впрыскивался нейтральный газ, происходят пробой по струям и образование плазменных катода и анода. Для обеспечения необходимой плотности эмиссионного тока достаточна концентрация

10 — 10 см, что легко достигает986225

Составитель В.Обухов

Редактор О.Юркова Техред М.Тепер Корректор A.Èëüèí

Заказ 8242/7 Тираж 703 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП ПатЕнт", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 ся. Дальнейший процесс ускорения в пушке протекает так же, как и в. известной ионной. пушке. Из плазменного катода вытягивается электронный,пучок. Электроны пронизывают плазменный анод и разогревают его.

При этом формируется виртуальный катод и из плазменного анода вытягивается сильноточный ионный пучок.

Принципиальным моментом в работе данной ионной пушки является то, f0 что катодная и анодная плазма не могут свободно расширяться в зазор анод-катод, как это происходит в .известных пушках. Это связано .с тем,,что сопло Лаваля формирует поток 15 атомов или ионов плазмы вдоль своей продольной оси., Поперечная составляющая скорости может быть подавлена в

g раз, где М вЂ” число Иаха, достигаюцее, например 10, Даже если бы к соплам подавалась плазма, именхцая те же характеристики, которые имеет взрцвоэмиссиониая и пробойная плазма в иэвестнык пушках, время пере1

:мыкания А-К зазора увеличилось бы в 10 раз. Реально эта величина может .быть больше оскольку к соплам можно подавать более холодную плазму и регулировать ее параметры. За счет ,поворота осей сопл на угол К, расширение струй в A-К-зазор может быть полностью подавлено. Размеры пушки могут быть сделаны достаточными для генерации пучков длительностью несколько мкс, это следует из того, что Il > 2 T„ U„, где Р - поперечный размер пушки, Тц — длительность импульса, Мц — продольная скорость в струе. Для максимальных скоростей 0» = 10 - 10 см/с длительностью пучка в 5 мкс потребует размера пушки 2>>.50 см, что не превыша-. ет размеров известных ионных пушек и не является предельным. После окончания процесса ускорения газ расширя" ется в объем пушки и откачивается вакуумным насосом. Для электрической изоляции анода размер спирали 7 выбиф рается из условия — L >p, где p — волновое сопротивление пушки {p = 10-20 Ом), "Г - длительность импульса, Ь - индуктивность спирали. Практически для импульса длительностью Т = 5 мкс спираль может иметь длину 70 см при диаметре

10 см и содержать 11 витков. Для инжекций частично ионизированных струй после импульсного клапана может быть установлен разрядник.

Таким образом, изобретение позволяет повысить длительность рабочего им« пульса до нескольких мкс вместо десятков наносекунд у известных пушек такого типа.