Ионная пушка Советский патент 1985 года по МПК H05H5/00 

Изобретение относится к области ускорительной техники и может быть использовано для генерации сильното иых ионных пучков и создания мощных лазеров коротковолнового диапазона. Отсутствие отражающих зеркал, ма лый коэффициент усиления х на коро коволновых лазерных переходах (х 5t )и сильная завис мость коэффициента усиления от пара метров накачки требуют создания сил ноточных ионных пушек с высокой одн родностью ионного пучка и большой длиной накачки активной среды. Известна ионная пушка для накачки лазеров, которая содержит размещенные в одном корпусе цилиндрические внешний анод и внутренний, с пр дольными прорезями, катод, подключенный к дополнительному источнику тока. На внутренней поверхности ано напротив прорезей в катоде, расположены диэлектрические участки, являющиеся источником ионов при повер ностном пробое диэлектрика. Внутри катода, на оси, размещена активная среда. Такая иоиная пушка позволяет получать сходящийся в линейную область ионный пучок. Недостатками этой ионной пушки являются низкий КПД и низкая одноро ность ионного пучка вдоль оси устройства, что связано с дрейфовой утечкой электронов в скрещенных эле рических и магнитных полях из ано катодного зазора и срыву прикатод- ного электрического потока; вблизи края анода. Срыв электронного потока на анод сопрововдается неоднородным накоплением электронов в анод-катодном зазоре вдоль оси устройства и вследствие этого неодноро ной генерации ионного пучка на оси. Наиболее близким техническим решеиием является ионная пушка, состо щая из катода, выполненного в виде замкнутой с одной стороны полосковой линии к имеющего отверстия для вывода ионного пучка, плоского анода, расположенного внутри катода и имеющего на своей поверхности диэлектрические .участки напротив отве тий в катоде, и дополнительного источника тока, подключенного к разомкнутым концам полоскового катода. Недостатками такой ионной пушки .являются низкий КПД и неоднород42ность генерации ионного пучка вдоль поверхности анода. Цель изобретения - увеличение коэффициента полезного действия, т.е. отношения ионного тока пушки к общему току анода, и повышение однородности пучка ионов. Цель достигается тем, что в ионной пушке, содержащей катод, выполненный в виде полосковой линии, которая с одной стороны замкнута, а с другой подключена к источнику тока, и имегадей отверстия для вывода ионного пучка и плоский анод, расположенньш внутри катода и имеющий цилиндрнческие скругления на торцах и диэлектрические участки напротив отверстий в катоде; между электродами полоскового катода со стороны подключения источника тока расположен металлический экран, выполненный в виде полуцилиндра с диаметром, равным расстоянию мелоду электродами полосковой линии, и имекиций электрический контакт с электродами катода. С целью повышения плотности потока ускоренного пучка ионов за счет его баллистической фокусировки поверхности анода и катода выполнены в виде части коаксиальных цилиндрических поверхностей. , , На фиг.1 и 2 изображена схема ионной пушки. Ионная пушка содержит внешний катод 1, выполненный в виде полосковой линии с отверстиями 2 для вьгоода ионного пучка и подключенный к .источнику 3 тока, внутренний плоский анод 4 с диэлектрическими участками 5 на его поверхности, расположенными напротив отверстий в катоде, и тонкий металлический экран 6,. имеющий электрический контакт с электродами полосковой линии и расположенный со стороны ввода. Эк- . ран в сечении выполняется в виде полуокружности. Диаметр окрулсности равен расстоянию между электродами полосковой линии. Устройство работает следукнцим образом. При подключении источника 3 тока к катоду 1 ток, протекающий по полосковой линии, создает изолирующее магнитное поле в про.странстве между катодом 1 и анодом 4. Катод и анод выполнены массивными, и

быстрое магнитное поле не проникает в электроды, чем достигается высокйя параллельность силовых линий магнитного поля поверхностям электродов . Магнитный поток ограничен 5 только анод-катодным зазором, что . обеспечивает высокий коэффициент использования энергии изолирующего . магнитного поля. При достижении максимума напряженности магнитного поля 10 на анод 4 подается высоковольтный импульс напряжения положительной полярности. При этом на поверхности диэлектрических участков 5 генерируется плотная плазма, служащая 15 источником ионов. Ионы, ускоряясь в анод-катодном промежутке, проходят через отверстия 2 в катоде. Электрическое поле ионного пучка вытягивает холодные электроны из сте- 20 нок катода 1, нейтрализуя ионный пучок,который может эффективно .. транспортироваться на мишень. На внутренней поверхности катода 1, которым теперь являются не только электроды полосковой линии, но и дополнительно введенный экран 6, за счет вз1 явной эмиссии образуется слой электронов 7, дрейфующий в скрещенных электрическом поле ано- 30 да и магнитном поле изолирующего тока от .дополнительного источника. Слой электронов, дрейфующий вдоль плоского нижнего электрода полоскового катода, при подходе к :замкну- 35 тому концу полосковой линии, имекщему в поперечном. сечении вид полуокружности, попадает в цкливдрическое электрическое поле между анодом и катодом, совершает дрейф вдоль внут- 40 ренней поверхности закругления и попадает на верхний электрод полоскового катода. Дрейфуя дальше вдоль верхнего плоского электрода, электронный слой попадает в такое же ци- 45 индрическое электрическое поле межу анодом и экраном и. дрейфует в скрещенных полях по внутренней поверхости экрана на нижний электрод по- оскового катода.-50

Таким образом, траектория дрейфа электронов становится замкнутой, ни на каком участке траектории не происодит локального накопления электронов, слой дрейфующих электронов в 55 анод-катодном зазоре становится равномерным. Ионный ток, снимаемый с плоской части анода, также становится равномерным, электроны, являясь полностью замагниченными, на анод не попадают, и по аноду протекает только ионный ток.

Схема ионной пушки, служащей для получения сходящегося на ось ионног пучка, показана на фиг.2. Конструктивное отличие данной ионной пушки от описанной выше заключается тольк в том, что поверхности анода и поло кового катода выполнены изогнутыми вдоль продольной оси, в виде части боковых поверхностей коаксиальных iцилиндрОБ. Работа ионной пушки,изображенной на фиг.2, не отличается от работы ионной пушки, с плоскими элекродами. Ионный пучок, генерируемь1й Ионной пушкой с цилиндрическими поверхностями электродов , в силу эарядовой нейтрализации после прохождения отверстий в катоде сходится в узкую линейную область. Для эффективной транспортировки ионного пучка в области между катодом и активной средой, где магнитное .поле является поперечньм, зарядовая нейтрализация обеспечивается известными способами И может быть реализована с помощью диэлектрической поверхности, параллельной направлению распространения ионного пучка (для нейтрализации электронами поверхностной плазмы ), или с помощь прозрачной для магнитного поля лро- водящей поверхности (нейтрализация холодными электронаьи). Часть изолирунэдего тока дополнительного источника проходит по тонкому экрану. . ; , . ;: - .

При длине верхнего электрода катода из , равной 100 см, толщине 0,8 см и радиусе с кругления на конце его 3,5 см, .при толпцше нихромового экрана 0,15 мм ртношение сопротивлений экрана и катода составляет 180. Поэтому в момент подачи высоковольтного импульса на Шод ток, текущий по экрану, составляет около 0,5/5 от тока, текущего по полосковому катоду.

Для накачки лазера ионным пучком используют или отражательные систе- №1 или более эффективные магнитоизолированные системы. : Но все известные устройства, способные накачать протяженную активную среду, отличаются малым КПД. У наиболее эффективной ионной пушки, ЮЩ, или

отношение ионного тока к общему то|Ку анода ускорителя, составляет 23% в оптимальном режиме, причем распределение плотностиионного тока вдоль оси активной среды неравномерно и явл.яется неустранимым недостатком базового объекта, связанным с незамкнутым дрейфом электронного слоя. Выполнение ионной пушки с полосковым катодом, имеющим металлический экран со cTopoHbt ввода внешнего иэолирукнцего тока, выгодно отличает данную ионную пушку от базового объекта:

1) Позволяет проводить накачку активной среды с высокой однородностью при длине накачки до.иескольких метров, а длина пушки ограничивается только соображениями целе- со бразности. Область активной среды обычно на содится вне вакуумного объема и разделена с ионной пушкой тонкой пленкой, лежащей на металлической рещетке за которую не проникает быстронарастающее магниное поле. Ионы пересекают при своем движении сначала магнитный поток в зазоре анод-катод с одной ориентацией, а затем противоположно ориен тированный поток на участке катодкорпус, и при симметричном полрже-г НИИ анода внутри катода этот суммарный магнитный поток равен йулю. И по сравнению с базовым объектом, где имеется осевой сно,с ионов из-за того, что пересекается только, маг- нитное поле анод-катодного зазора одной ориентации, в данной пушке ионы не испытывают никакого сноса при движении к оси, и достижимая степень фокусировки определяется только температурой анодной плазмы. .

2 ) КЦЦ генерации ионного пучка в данном устройстве достигае.т в приципе 100%, поскольку работе с В(2-3)Вкр . где бкр- критическое значение величины магнитйого поля, необходимого для магнитной изоля. ции анод-катодного промежутка, элекроны не достигают анода, и анод-катодный зазор загружен только ионным током. В реальной пушке, даже имеющей замкнутую траекторию дрейфа катод

цого слоя, имеется путь для попадания электронов на анод вдоль силовых линий магнитного поля., соединяюш;их корпус и анод, причем эти потери значительно уменьшаются с уменьшением глубины проникновения быстрого поля в металл корпуса и анода. Правильное конструирование пушки с целью увеличения длины линий магнитного поля, соединяюпщх корпус и анод, и уменьшения напряженности электрического поля в точках пересечения магнитных линий с поверхностью корпуса позволит достичь КПД около 95-98%

3)По сравнению с базовым объектом, у которого длительность импульса ионного тока составляет сотни наносекунд, что объсняется уменьшением зффе1стивного зазора анод-слой электронов вблизи того конца анода, где происходит срыв электронного ,по- тока, и быстрым перемыканием этого зазора анодной плазмой, в данном устройстве возможна генерация ионсных пупков и микросекундных длительностей, .причем длительность определяется скоростью перемыкания анод-катодного зазора плазмой анода, которая для магнито-изоли- рованных систем составляет 0,30,5 см/МКС, ,

4)По сравнению с базовым объектом, в котором магнитное поле созд ется во всем объеме ионной пушки и коэффициент полезного использований энергии магнитного поля состав.яяет 5-8%, в предлагаемой ионной пушке, где магнитный поток сосредоточен в анод-катодной области и . ограничен участком транспортиров - ки, этот коэффициент составляет величину около 50%, и для ее работы требуются значительно менее энерюемкие накопители. Использование дпя накачки лазера данной ионной пушки позволит реализовать накачку лазерных переходов, лежащих

в коротковолновой области, вплоть до рентгеновского диапазона с выходом лазерного излучения в десяткисотни Джоулей при соответствующей энергетике сильноточного ускорителя.

Ось фокусирабка ftOHHbiu пучок Г/ Ток катода

I.ИОННАЯ ПУШКА, содержащая катод, выполненный в виде полосковой линии, которая с одной стороны замкнута, ас другой подключена к источнику тока, и имеющая отверстия для вывода ионного пучка и плоский анод, расположенный внутри катода и имеющий цилиндрические округления на торцах и диэлектрические участки напротив отверстий в катоде, отличающаяся тем, что, с целью увеличения коэффициента полезного действия и повышения однородности пучка ионов, между электродами полоскового катода со стороны подключения источника тока расположен металлический экран, выполнеиный в виде цодуцилиндра с диаметром, равным расстоянию между электродами полоскрвой линии, и имекяций электрический контакт с элeктpoдa вI. катода. kn 2. Пушка по. п.1, отличающаяся тем, что, с целью повышения ппотности потока ускоренного пуч.ка ионов за счет его баллистической фокусировки, поверхности анода и катода выполнены в виде части коаксиальных цилиндрических поверхностей.

Фиг. 2