Ускоритель ионов для накачки лазера Советский патент 1993 года по МПК H05H5/00 

Изобретение является усовершенствованием известкого ускорителя ионов д;81 накачки лазера по авт„св. № 1116969, относится к области ускорительной техники и может быть преимущественно использовано при создании лазеров с накачкой ионным пучком, так как для эффективной генерации мощного коротковолнового импульса необходимы ионные ускорители, способные накачивать протяженную активную среду с максимально высоким удельным эчйр- говкладом.

Целью изобретения является увеличение удельного энерговклада в активную среду ускорителя ионов для накачки лазера за счет управления формой поверхности виртуального катода и степенью фокусировки ионного пучка.

На фиг t схематически изображен ускоритель; на фиг, 2 геометрия ускорителя в сечении; на фиг. 3 - кривые результатов измерения индукции

по азимуту. 1

Ускоритель ионов состоит из зарядного устройства 1, двойной коаксиальной формирующей линии, имеющей наружный корпус 2j средней 3 и внутренний I t электроды, реактора 5, кольцевого коммутатора 6 и коаксиальной ионной пушки, расположенной внутри ускорителя на его оси. Зарядное устройство 1 подсоединено к среднему электроду 3 формирующей линии, внутренний электрод 4 соединяется реактором 5 с на- руж1а м корпусом 2 формирующей линии, а коммутатор 6 установлен между средним и внутренним электродами. Ионная пушка образована внутренней поверхностью внутреннего электрода 4 формирующей линии, имеющим диэлектрические уластки 7 на своей поверхности, и шотиндрическим катодом 8, имеющим прорези 9 напротив диэлектрических участков 7 на поверхности внутреннего электрода. Цилиндрический катод 8 соединен одним своим концом с наружным корпусом 2 формирующей линии. Первый импульсный источник 10 тока подсоединен одним полюсом к наружному корпусу 2 формирующей линии, а другим к цилиндрическому катоду 8, Внутри катода 8 коаксиально с ним установлен щ линдрический электрод 11, имеющий прорези 12 вдоль образующих напротив прорезей 9 в катоде. Одним своим концом цилиндрический электрод 11 соединен с наружным корпусом 2 фор

0

мирующл.1 линии.Второй импульсньп1 источник 13 тока подсоединен одним полюсом к катоду 8, я другим полюсом к цилиндрическому электроду 11. На оси ионной пушки помещена активная среда 14. Для разделения ионной пушки и двойной формирующей линии используются изоляторы 15.

Ускоритель ионов работает следующим образом. При срабатывании импульсных источников 10 и 13 тока по цилиндрическому катоду 8 и наружному, корпусу 2 прЬтекает ток первого

5 источника 10, создающий изолирующее азимутальное поле в анод-катодном зазоре, а ток второго источника 13 протекает по цилиндрическому электроду 11 и катоду 8, создавая корректирующее магнитное поле, сосредоточенное в объема между электродом 11 и катодом 8.

От зарядного устройства 1 при его срабатывании происходит заряд :

5 двойной формирующей линии. В момент достижения максимума изолирующего и корректирующего магнитного поля и зарядного напряжения на двойной формирующей линии происходит срабатывание кольцевого коммутатора 6, рас- - положенного на равном удалении от торцовых частей. В результате сраба- тьшания коммутатора 6 на коаксиальную ионную пушку с обеих ее концов одновременно поступают две волны напряжения, -Импульсы положительной полярности, распространяющиеся между катодом 8 и внутренней поверхностью электрода 4 (который является в этом случае анодом ионной пушки), вызывают поверхностный пробой диэлектрических участков 7, и на поверхности этих.диэлектрических участков генерируется плот0

5

0

ная плазма.

)

45 Ионы этой плазмы, ускоряясь Hat промежутке анод - виртуальный катоДу проходят последовательно сквозь про рези 9 в катоде, область корректиру- кяцего поля между катодом 8 и электро50 дом 11, сквозь прорези 12 в электроде 11. Магнитное поле внутри цилиндрического электрода 11 отсутствует, что приводит к нейтрализации сходящегося ионного пучка холодными элект55 ронами, которые вытягиваются из стенок прорезей электрическим полем ионнего пучка. Так как траектория ионов в значительной мере определяется формой поверхности виртуального катода.

а поверхность виртуального катода в. магнитно-изолированных диодах совпадает с одной из прикатодных магнитных поверхностей, формирование определенного распределения магнитного поля в анод-катодном зазоре позволяет управлять траекторией ионов при их движении к мишени.

При срабатывании второго источни- ка тока 13 силовые линии азимутального корректирующего магнитного поля, сосредоточенного в объеме между катодом 8 и электродом 11, провисают в прорези 9 катода и электрода 12. Если обозначить положительным направление магнитного поля в области катод 8 - электрод 11, создаваемого прямым током источника 13, текущим

от источника по электроду 11 к корпу-2о трика), соответственно будет мала инсу 2, то обратный ток от корпуса 2 по катоду 8, перераспределяясь по поверхности ребер катода, будет создавать над ребром магнитное поле отрицательного направления. И при работе одного второго источника 13 тока внутри анод-катодного зазора над ребром катода магнитное поле будет иметь отрицательное направление, а над щелью - положительное,

При включении в работу первого, основногоS источника 10 тока, ток которого протекает по катоду 8 к корпусу 2 и создает изолирующее азимутальное магнитное поле положительного направления S анод-катодном зазоре, результирующее распределение магнитного поля внутри анод-катодного зазора будет определяться ссотношением токов источников 10 и 13 тока. Варьи-о руя величину тока второго источника 13, можно достичь концентричности всех силовых линий магнитного поля внутри анод-катодного зазора: уменьшая величину этого тока, получить провисание силовых линий в прорези катода, увеличивая величину этого тока, получить выпуклости силовых линий внутрь анод-катодного зазора над прорезями катода.

Так, например, измерения магнит-, ных полей на модели при ширине щели 11 мм, зазоре катод - электрод 4 , 5 мм, диаметр катода 60 мм датчиком высотой 4 мм показали, что отношение напряженности магнитного поля над щелью к напряженности поля .над ребг . ром изменяется в диапазоне 0,67-1,22 при изменении амплитуды тока второ25

дуктивность между этиьш электродами, поэтому для создания корректирующего поля потребуется источник 13 тока, значительно меньший по 31нергоемкости, чем основной источник 10 тока.

Обеспечение строго концентричной поверхности виртуального катода, тем не менее, не обеспечивает максимальной плотности ионного пучка в фокусе.

30 Основным причинами этого являются отсутствие нейтрализации ионного пучка в ускоряющем зазоре и неполная зарядовая компенсация на участке тряис- портировкн к мишени. Возможность получения фокусирующей-повархностя 3Tip- туального катода над щелью (выпуклая анод-катодного зазора форма силовых линий магнитного поля) в предлагаемом ускорителе ионов позяоляет компенсировать расходимость ионного пучка, обуаповленную его неполной зарядовой компенсацией. И максимально достигаемая степень фокусировки будет определяться температурой анодной . плазмы и температурой нейтрализирую- щих электронов. .

Таким образом, в предлагаемом ускорителе применение токонесущего внутрикатодного электрода позволяет управлять плотностью ионного пучка на оси, достигая при этом наибольшего удельного энерговклада5 ограниченного конечной температурой анодной плазмы. Кроме того, появляется позeg ножность оперативного, без разгерме- о тизации устройства и замены электродов, уп{)авлания удельным энерговкла- дом ионного лучка в мигаень при сохра нении его общего энерг(; запаса,, йзме35

40

45

50

i o источияка в диапазоне 0-2 дмплитуды тока первого источника.

Для ужесточения конструкции и улучшении нейтрализации ионного пучка при его движении в закатодном пространстве целесообразно соединить ребра катода 8 и ребра электрода 1J диэлектрическими прокладками. И при движении ионного пучка в области между катодом 8 л электродом 11 нейтрали зяlsfiя его будет осу1дествлятьсп плазменными электронами, образующимися при пробое поверхности диэлектрика,

Поскольку зазор между катодом 8 и дополнительным электродом 11 может быть выполнен достаточно малым (он определяется в вьппеприведенном варианте электрической прочностью диэлек5

дуктивность между этиьш электродами, поэтому для создания корректирующего поля потребуется источник 13 тока, значительно меньший по 31нергоемкости, чем основной источник 10 тока.

Обеспечение строго концентричной поверхности виртуального катода, тем не менее, не обеспечивает максимальной плотности ионного пучка в фокусе.

0 Основным причинами этого являются отсутствие нейтрализации ионного пучка в ускоряющем зазоре и неполная зарядовая компенсация на участке тряис- портировкн к мишени. Возможность получения фокусирующей-повархностя 3Tip- туального катода над щелью (выпуклая анод-катодного зазора форма силовых линий магнитного поля) в предлагаемом ускорителе ионов позяоляет компенсировать расходимость ионного пучка, обуаповленную его неполной зарядовой компенсацией. И максимально достигаемая степень фокусировки будет определяться температурой анодной . плазмы и температурой нейтрализирую- щих электронов. .

Таким образом, в предлагаемом ускорителе применение токонесущего внутрикатодного электрода позволяет управлять плотностью ионного пучка на оси, достигая при этом наибольшего удельного энерговклада5 ограниченного конечной температурой анодной плазмы. Кроме того, появляется позg ножность оперативного, без разгерме- о тизации устройства и замены электродов, уп{)авлания удельным энерговкла- дом ионного лучка в мигаень при сохранении его общего энерг(; запаса,, йзме5

0

5

0

няя соотношение токов двух исто ни- ков и формируя фокусирующую, концентричную или дефокусирующую поверхность виртуального катода. Это раЪширяет функциональные возможности предлагаемого ускорителя ионов и улучшает экс- .плуатационные возможности, поскольку большинство применений мощных ионных пучков (накачка лазеров, модификация поверхностей твердых тел, генерация нейтронных импульсов и т.п.) требуют оптимального удельного энерговклада ионного пучка в мишень.

Более подробно о моделировании . магнитных полей в предлагаемом ускорителе можно сообщить следующее. Модель соответствовала чертежу и состояла из наружного коаксиального цилиндра диаметром 120 мм, длиной 30 см,внутри которого были коаксиально установлены два цилиндра, имеющие прорези по своим образующим, электрически соединенные с наружным корпусам. Диаметр большего внутреннего цилиндра был равен 60 мм. меньшего был равен 49 мм, В

30

35

40

боих внутренних Ц11линдрах были вы-- олнены прорези, ширина ребра составяла 19 мм, ширина прорези 12,5 мм. олщина стевок дилиидров из латуни . (5ыла равна 1,5 мм. Датчиком магнитного поля служила многовитковая катуш к а BbiCOTofi 4 мм (по радиу су) и длиной 50 мм в аксиальном направлении. Ка- тушка в aзн iyтaльнoм -направлении имела размер 3 мм и была намотана на диэлектрическом кольце с внутренним г диаметром 60 M так, что катушка могла перемещаться по азимуту над поверх ностью катода. На фиг, 2 показана

геометрия мо-дели. I

Сигнал с. катушки интегрировался

быстродействующим активным интегратог ром и регистрировался импульсным цифровым вольтметром. Форма импульса од- 45 новременно контролировалась запоминающим осциллографом. Временное разрешение аппаратуры составляло 0,5мкс, амплитудная погрешность i1%. В качестве импульсных источников тока служили емкостные накопители одинаковой емкости CH - 2000 мкФ, время нарастания магнитного поля составляло 28мкс. На фиг. 3 приведены результаты измерения распределения индукции магнитного поля при перемещении датчика в азимутальном направлении. Под графи- ками показаны йоложения ребер и щели. Показана часть окружности катода,

gg

50

10

25

30

0563

состо:гщая из двух ребер и одной щели, развернутая в прямую линию. Распределение а на фиг. 3 получено при отключенном корректирующем источнике. Амплитуда тока источника составляла 1 кА. Это распределение индукции магнитного поля соответствует распределению поля в прототипе. Для этого распределения характерно наличие провала АО% в области над центром щели. Распределение b получено при отключенном основном первом источнике тока и работе одного корректирующе- g го источника. Амплитуда тока корректирующего источника составляла 1,87 кА для этого случая. Корректирую ющее поле, создаваемое этим источником, над поверхностью катода знако- переменно.

Распределение с получено при одновременной работе двух источников ток при амплитуде тока первого источника 1 . кА PJ амплитуде тока второго источника 1,87 кА.

Для данной модели при отношении токов, равном 1,87, неоднородность магнитного поля над поверхностью катода не превьщ ала 3%, Для отношения токов меньщих 1,87, наблюдалась не20

полная компенсация провисания маг5

0

5

нитного поля в области над щелью, при больших отношениях поле над щелью бьто больше величины поля над ребром. Дефокусирующие свойства линзы, образующиеся при провисании силовых линий в щели, а также характерные траектории пучка ионов, распространяющегося из ускоряющего зазора в эквипотенциальное пространство, хорошо известны.

Необходимо отметить, что угловая расходимость ионного пучка как в прототипе, так и в предлагаемом варианте ускорителя определяется поверх(

ностью виртуального катода, совпада -. щей с одной из магнитных поверхностей над катодом. Мощный ионный пучок, пройдя поверхность виртуального катода и распространяясь в пространстве между катодом и дополнительнбм злект- родом, оказывается эффективно ( vlOO%) нейтрализованным по заряду холодными электронами из стенок катода или g плазменными электронами с поверхности диэлектрика. Высокая плотность мощного ионного пучка и его зарядовая нейтральность позволяют ему проходить без отклонения, благодаря механизму

0

поляризационного дрейфа, область со значительным поперечным полем между катодом и дополнительным электродом а также область провисания этого (корректирующего) поля в щели дополг нительного электрода.

Использование корректирующего поля, создаваемого при протекании импульса тока по цепи катод - дополнительный электрод, позволяет устранит негативное влияние этих двух определяющих факторов в предлагаемом ускорителе ионов для накачки лазерных сред.

Прим ер. Основные параметры ускорителя: напряжение на формирующей линии (д 1 MB; наружный диаметр 1 м; длина прорезей в катоде 2м; длина ускорителя 3 м; жидкий диэлектрик - деионизованная вода; волновое сопротивление р 4 Ом; длительность импульса на нагрузке t 100 не.

При КПД коаксиального катода (диода) 2 ° такой ускоритель обеспе- чит величину ионного тока в согласованном режиме

I- 2 175 кА.

о

При анод-катодном зазоре dд, 1,5 с и 2-кратном превьипении ионным током плотности J. необходимая площадь анода составит

Sji Ij/J; 2 3,8-10 см . It

Наружный диаметр катода при его л 50%-ной прозрачности D 12,5 см.

При толщине стенки катода и дополнительного электрода 3 мм и толщине скрепляющего их диэлектрика 4 мм диаметр дополнительного электрода составит 11,1 см. При работе-на уровне 2 В „в необходимая величина индукции

составит

В 2 В,р 5,71 кГс.

Величина токл . по катоду, обсспеч1г- оающая 2 , будет равна

1 178 А.

0

5

0

0

5

0

5

Для создания такого тока необхо- ДИМ e fкocтный накопитель с энергозапасом Hg менее W, 40 кДж.

Индуктивность цепи катод - дополнительный электрод L,j составляет «О нГ, при токе в этой цепи 356 кА . необходимый энергозапас корректирующего источника составит 2,7 кДж.

Экспериментально изме-ренная угловая расходимость в диоде, тождественном прототипу по конфигурации магнитного поля, составила 2° ,, а достижимая угловая расходимость при компенсации провисания магнитного поля и наличии температуры анодной плазмы 5 эВ для приведенных экспериментов С Ч А 0,5 MB) составляет о-2 0,2°. Соответственно увеличение энергОвкла- да может составить величину (cii/of,) 100.

ПреДлагаемьш ускоритель ионОв отличает и высокая экономичность: знер- гозапас корректирующего источника не превышает 7% от энергозапаса основного источника тока.

Формула изобретения

Ускоритель ионов для накачки лазера по авт. св. № 1116969,0 т л и ч а- ю щ и и с я тем, что, с целью увеличения удельного энерговклада в активную среду, в него введен дополнительный источник тока, а внутри катода и коаксиально ему установлен цилиндрический электрод с прорезями по образующим напротив прорезей в катоде, один конец цилиндрического электрода соединен с корпусом ускорителя, а другой подключен к первому выводу дополнитепьного источника тока, второй вывод которого соединен с катодом ионной пушкк.

гайки(«« |8йагй

2 3 ti

аг. 1

e,fb

60

iiO

из

Составитель A. Кестерович

Редактор Т, Клюкина Техред М.Ходакич

Зэказ 1963ТиражПодписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва Ж-35, Раушская иаб., д, 4/5

Производственно-полиграфическое 1редприятие, г. Ужгород ул. Проектная, 4

gjae.3

Корректор М.

Изобретение может быть использовано при создании лазеров с накачкой ионным пучком, в которых для эффективной генера1у1И мощного коротковолно- пого импульса необходимы ионные ускорители, способ1И)1е накачивать протяженную активную среду с максимально высоким удельным энерговкладом. Ускоритель иояов содержит зарядное устрой ство 1, двойную коаксиальную формирующую линию, имеющую корпус 2, средний 3 и внутренний 4 электроды, реактор 5, кольцевой коммутатор 6, устаггоплеппым между электродами 3 и 4. Ионная пушка образована внутренней поверхностью электрода 4, имеющей диэлектрические участки 7, и цилиндрическим катодом 8, имеющим прорези 9, Внутри катода 8 коаксиально с ним размещен цилиндрический электрод 11, имеющий прорези 12. На оси ионной пушки помещена активная среда 14. Для разделения ионной пушки и двойной формирующей линии используются изоляторы 15. .В предложенной конструкции ускорителя обеспечивается увеличение удельного энерговклада в активную среду для накачки лазера путем управления формой поверхности ви ртуального катода и степенью фокусировки ионного пучка. При этом знергозапас корректгфз ющего источника 13 не превьппает 7% энсргоза- паса основного источника 10. 3 ил. 1.0 жЫ. СлЭ СП 05 О5