Ионная пушка Советский патент 1992 года по МПК H04H5/00 

(46) 30.08.92. Бюл„ N 32

(21)4069715/21

(22)22.05.86

(71)Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом институте им, С.М. Кирова

(72)А.Ио Арбузов, В.М. Быстрицкий, А.В. Петров и В.Г. Толмачева

(55)621.384.6(088,8)

(56)Быстрицкий В.М., Диденко Л.Н. Сильноточные ионные пучки. УФН,

То 132, в, 1, 1980, с, 91,

Быстрицкий В.М., Диденко А.Н. Мощные ионные пучки. - Энергоатомиздат, 1984, с. 20.

Авторское свидетельство СССР W 1314932, кл. Н 05 Н 5/00, 1985.

(54) ИОННАЯ ПУШКА

(57) Изобретение может быть использовано для генерации мощных потоков ионов в широком диапазоне атомных масс. Ионная пушка содержит источник 1 высоковольтных импульсов, выполненный на формирующей линии с электрической длиной С, магнитную систему 2, противостоящие катод 3 с источником 4 плазмы и анод, включающий сетку 5 с отверстием, спираль (С) 6, полый цилиндр (ПЦ) 7 диаметром ёд, пленку 8 с проводящим покрытием прикрепленную к ПЦ 7 на расстоянии от удаленного от катода 3 торца анода. Диаметр С 6 равен d,, а ее длина удовлетворяет выражению 10 1 4 10-4d --N)S где N - число витков с бе Ионная пушка имеет увеличенные энергию и мощность ионно- го пучка. 1 ил.

с

(Л

с

со

4 со 4

Изобретение относится к ускорительной технмке и может быть применено для генерпиин мощных потоков ионод р широком диапазоне .атомных мясе.

Целью изобретения являатся увеличение и мощности ионного пучка.

e чертеже изображена конструктивная схема ионной пушки.

Пушка содержит источж к 1 высоковольтных импульсов, выполненный на формтрукяцей линии электр ческой длиной С, магнитную cиcтe fy 2, противостоящие катод 3 с источником 4 плas мы и анод, включающий сетку 5 с отверстием, спираль 6, полый цилиндр 7 диаметром d, пленку 8 с проводящим покрытием. Пленка 8 прикреплена к ци

линдру 7 на расстоянии

ш с. iот

удаленного от катода 3 торца анода, Один конец спирали 6 соединен с сеткой 5, а другой - с источником 1 и торцом цилиндра 7, на котором укреп- лена плр.нка 8с Диаметр спирали 6 равен ёд, а ее длина I удовлетворяет Е ыраже п1К)

10,

/ I

tO (d

N)

Л где N - число витков спирали 6,

Кроме этого, на чертеже обозначены: плазменный столб 9 (плазма, соз- длваемзя источником плазмы), плаз- мл 10, образующаяся при разогреве

пленки 8, траскт ории 11 электронов, виртуглтьный .катод 12, ионный пучок 13 анрдод ржатель 14,

Устройство работает следующим образом.

Включают магнитную систему 2, соз- даицую аксиальное ведущее магнитное поле. В расчетный момент времени, когда поле близко к максимальному, включают источник А плазмы, и пространство между катодом 3, сеткой 5 и проводящей пленкой В заполняется плазмой. Спустя расчетное время, когд плотность этой плазмЬ достигнет необходимой величины, например А/(1-2) «10 см , на анодный цилиндр 7, спираль 6 и сетку 5 от источника 1 высоковольтных импульсов подают высоковольтный нано- или микросекундный импульс положительной полярности, Так как катод 3 и пленка В с проводящим покрытием оказываются закороченными плазмой (плазменный столб 9)-, то в цепи: катод 3 - плазменный

стппб 9 - пленка 8 с проводящим слоем - лнододержатель lii потечет ток I, KOTopbui замыкается на источшчк 1 высоковольтных импульсов. Тлк как индуктивность этой цепи конечна, то ток I будет нарастать во времени и до тех пор, пока erq значение не превьг- сит значения критического тока I дпя плазменного столба 9

Гкр в S-VP ,

J -

0

5

0

j

0

,

5

S л V,

где п, - плотность плазмы;

1 оперечная площадь плазменного столба;

тепловая скорость электронов плазменного столба 9 (между катодом 3 и сеткой 5 нет разности потенциалов). При превьппении током цепи I кри- т тческого значения 1 вблизи катода 3 образуется разрыв плазмы, так назы ваемой двойной слой с падением на нем потенциала, В двойном слое реализуется сильноточный режим отражательной системы: из тззменного столба 9 в сторону катода 3 будут уходить ионы, а в сторону сетки 5 - электроны, эмиттируемые с катода 3 в результате взрывной эмиссии, и электроны из плазменного столба 9, Электроны проходят анодную пленку 8, образуьт по другую сторону виртуальный катод, отражаются от него, двигаются в обратном направлении и т,д., т.е, совершают осцилляции между катодами 3 и 12. При этом происходит быстрое накопление осщшлирующих электронов траектории П, которые нейтрализуют заряд ионов, уходящих из плазменного столба 9 в сторону катода 3. Вследствие этого импеданс двойного слоя уменьпиется, и как электронная, так и ионная компоненты тока продолжают расти. При многократном прохождении пленки В осциллирующие электроны испытывают рассеяние и приобретают конечную скорость. Вследствие наличия ведущего аксиального магнитного поля они начинают двигаться по ларморов- ским окружностям, так что огибающая поверхность электронного пучка оказывается по диаметру несколько большей, чем диаметр отверстия в сетке 5, В результате часть электронного тока, попадающая на сетку (фактически это ток потерь I(i) протекает по спирали 6.

Ток потерь dp) обычно составляет 5-10% от полного тока электронов.

3 ,tA19/.

Для энергий электронов в дияпозонеаноде ионном пушки это состлпляет

0,5-1 МэВ, редущлх магнитлых попей -(О, 1-0,2) с/ . Рас 1кты покглыплкт,

(10- 10 ) Гс и средних углов ряс-что эквипотенцналь с потеншьплсм, птсеяния i 10-20° средние ларморовскиеличаюпшмся значение

радиусы для рассеянных на эти углы (0,1-0,2)/, проиисает внутрь отэлектронов лежат в диапазоне десятыхверстия радиусом R на значение (0,1долей сантиметра. А это составляет-0,2)К,т.е. на доли сантиметров,

по площади и с учетом высокой проз-Следовательно, как только граш:ца

рачности сетки ( 807,) 10% от обыч- Q плазмы отойдет на это расстояние

но используемых площадей электронно-от сетки, вихревая тормозящая ЗДС

го пучка в диапазоне ( 10) см.будет уже полностью компенсировать

Таким образом, в процессе нараста-ускоряющую электростатическую разность

ния полного тока ускорителя в индук-потенциалов и это обеспечивает отсечтивности L.p спирали 6 накапливается15 манного тока Расстоянип в доли

Lcnin сантиметра плазма проходит за время,

энергия -г-, обусловленная частью„„, „ щ

2 меньшее 10 не при известной скорости

тока (If,), протекающей по ней, а 0° см/с. В изнестной ионной пуш- диоде реализуется сильноточный режим,ке продвижение плазмы на глубину ра- Отбор большого ионного тока приводит2о т.е. большую, чем Б предлага- к быстрой эрозии плазмы, т.е. расши-емоЛ пушке, занимало соответственно рению двойного слоя со скоростью, до-большее время (20 не). Таким обра- стигающей 10 см/с. Спустя единицы-зом величина dl/dt при работе на десятки наносекунд, граница двойногопрежних уровнях возрастает примерно слоя достигает сетки 5, проходит ее25 U5-2,5 раза и соответственно воз- плоскость и начинает расширяться врастает вихревая ЭДС, L dl/dt, при- виде вогнутой поверхности внутрь про-лагаемая к ускоряющему зазору пушки, странства, ограниченного спиралью 6.Здесь L - индуктипность цепи пушки. Вследствие экраьшровки электрическо-Длину спирали 6 выбирают из следующих го поля ускоряющего зазора сеткой 5зо соображений. Во-первых| она должна в области за сеткой оно быстро ens-быть такой, чтобы I , т.е. дает до нуля (на глубине порядка ра-длина должна быгь больше расстояния, диуса отверстия), и ионный поток так-проходимого за время импульса плаз- же начинает быстро спадать. При этоммой, образованной гфи разогреве плен- соответственно начинает спадать и 8 осциллирующими электронами. 0т- часть тока пушки, протекающего посюда Ь 7 Ю (м/с) , с.

cjj Во-вторых, длина связана с тре

спирали 6. Этот спад вы-зьгоает ге-буемой ивдуктивностыо, которая должнерацию вихревой ЭДС сп при-„а быть такой, чтобы I-enT v Ч .

ложеннои на участке поверхность плаз- д д, провисание ускоряющего

мы - плоскость сетки, направленнойпотенциала внутрь отверстия в сет- встречно движению ионов. Эта ЭДС уве-„-е 5. Выбирают di/ на уровне di/c Ю - личивает скорость спада ион1-ого тока,(j ) д потенциал анода. что, в свою очередь, приводит к 1/д 10 В, папучают ( возрастанию и т.д. Таким образом,-ю) В. Для обычных параметров плаз- процесс характеризуется положительноймонаполненных отражательных систем обратной сря;1ью и приводит к лавино-скорость обрыпа полного тока пушки образному обрыву полного тока. Дли-dl и

тельность этого процесса определяется А/-С, Выбирая для тока, провременем достижения тормозящей вихре- 0 а его „о сп1фали, --10% дня L

вой ЭДС ( ) значения, равногополучают диапазон ь () Гн,

учитывая, что И1здуктивность спирали

доле ускоряющего потенциала, превы- -7

шающего внутр1 сетки 5. К примеру,L К - « К . -. для средних пмл-юний dl/tlt л(-2 ) л t ч

.10 А/с и Lro-10n нГн пихрепая ЭДС у. .

составляет (10и-200) кВ. /1тя мега-

вольтного дипплчг нл напряжения .д 41Г 10 Гн/м

N - число витков спирали; S - поперечное сечение ст1рялн; d - диаметр спирали; I - длина спирапи, получают

для верхнего предела

d N

- Ю

1 10

(см)

Q ме сл но но ко g ро сн (5 пр со 20 ро

или

г O.ld N, (см).

Таким образом, длина спирали дсшж на лежать в диапазоне

10 ) t (см) t 0,1(dN) ,

где d - диаметр спирали (d d.)} N - число витков.

Ко времени реякого обрьгаа тока и генерации вихревой ЭДС граница плазмы 10, образованной в результате рязогрева пленки 8 электронным пучком и распространяющейся внутри анод ного цилиндра 7, подойдет к его торц

d

на расстояние у- как и в известной пушке, здесь диаметр цилиндра 7. Из этой плазмы под действием суммарного ускоряющего напряжения (анод - катод 12) вихревой ЭДС в сторону катода 12 начнут вытягиваться ионы, формирующие ионный пучок 13, Соответственно с этим возрастет энергия ионного пучка, его ток (за- внсл1Ц11й от энергии по известному за- кону Чз11пьд-Ленгмюра) уменьшится его длительность на отрезок врсмекн, paBKbrfi длительности низковольтной стадии, а также возрастет его мощность W у I .

Пример. Напряжение генератора высоковапьтных импульсов ((f,) i кВ,400..

Мощность на согласованную нагрузку, Вт2 -10

Импеданс ускорителя. Ом 7 Длительность импульса, не 80 Индуктипность цепи ано,(6

да, нГн

Плотность азотной плазмы в плазменном источнике, см Толщина анодной пленки, мкм

Длина анодно-катодного (А-К) зазора, мм Диаметр анодного гишин ра, мм

/Iif.-JMeTp катода и отпер- стия в анодной сетке, мм Высота анодного цилинд- р а, мм

Магнитное поле, кГс

Длина спирали, см

При срабатьгоании ускорителя и плаз- менной пушки формирование двойного слоя у катода начинается при катодном токе на уровне 2-3 кА для заданной плотности плазмы. Благ одаря накоплению осциллирующих потоков элект- ронов триод переходит в низкоимпедан- сный режим на уровне полного тока (50-40 кА), из которых около 1/20 приходится на ионный ток азота. Это соответствует 7-8 осцилляциям злект- ронов, согласно формуле

(шр/т.) / (ч- 1),

1л. 1р

где | - среднее число осцилляции. При плотности плазмы п (2-3) , среднем токе ионов 2-2,5 кА, средней скорости 3-10 см/с зазор d 10 мм рассосется в течение 30 не. Продвижение в глубь анода плазменной границы на расстоянии ,1R, т.е. на 1,5 мм, потребует в среднем 5 не. Соответствующая вихревая ЭДС на спае тока

Z-ld

dl

5-109

800 кВ.

Полное напряжение на ускоряющем зазоре:

d dt

+ у. 800 + АОО fc 1200 кВ.

Соответственно амплитуда тока ионного пучка, вытягиваемого в сторону катода 12, возрастает в - ( )

, .,

ТПТп сравнению с напряжением генератора) Это приводит к увеличению максимальной мощности ионного пучка в 5-6 раз.

.50

W I; V .

&k

S. Вт

55

Таким образом, по сравнению с известной пушкой в предлагаемой ионной пушке увеличены энергия и мощность ионного пучка. Формула изобретения

Ионная пушка, содержащая источник высоковольтных импульсов, выполнен