ИМПУЛЬСНЫЙ ИСТОЧНИК ТРУБЧАТОЙ ПЛАЗМЫ С УПРАВЛЯЕМЫМ РАДИУСОМ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ Российский патент 2016 года по МПК H01J37/04 H01S3/975 

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 τ_ф≤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.

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.

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.