Ионная пушка Советский патент 1982 года по МПК H05H5/00 

1

Изобретение отноеитея к уекорительной технике и может быть использовано для генерации сильноточных ионных пучков.

Извеетиа ионная пушка Ll, 21, состоянии из солеио 1л.а, создаюи1,его имнульсное магиитиое no/ie, и отражательного триода, имеющего два полупрозрачных металлических катода с общим тонким анодом, состоящим из металла и диэлектрика и укрепленным иа высоковольтном электроде.

В такой пушке при поступлении иоло;кнтельн()го высоковольтного нмпульеа на анод под действием электрического поля электроны эмиттнруются с катодов и ускоряются, совершая многократные прохождения аиода, колеблясь между катодами. Потери эиергии электронов иучка иа ионизацию материала анода способствуют разогреву материала аиода н образованию в прианодиой области плаз.мы. Из илазмы иод действием электрического иоля вытягиваются в направлении к катодам ионы, которые выводятся из пушки для использования. Создаваемое сОоТеиоидо.м нмпульеное магннтиое иоле необходимо для ликвидации иотерь электронов из-за кулоновского расталкивания на обо; анода.

Это устройство позволяет получпть ионные пучкн с плотностью тока, рассчитаииой

по закоиу Чайльда-Лэнгмюра, и полным током в десятки килоампер.

К недостаткам устройства относится быстрое разрушение анода за одно или несколько срабатываний ионной пушки под действием электронного пучка.

Известна ионная пушка, содержаш,ая внешний соленоид, анод, выполненный из проводника с дпэлектрическимп вставками,

ироводящий катод с диэлектрической вставкой на торце, расположенный коаксиально внутри анода. В катоде имеются отверстня, размещенные напротив диэлектрических вставок анода 131.

При поступлении высоковольтного полон нтельного импульса на внешний метал.ический анод за счет разно) электрической длины в металле и в диэлектрике по цоверхности анодной диэлектрической

вставкой иа торие, расположеиный коаксииробоя по.Пчается плазма. Из илазмы в пределах каждой анодной диэлектрической вставки формируется ноток иоиов, ускоряется электрическим пoлe и проходит через

отверстия в катоде. Двигаясь внутри катода, ионы, нейтрализованные во всем объеме катода но заряду электронами плазмы, образованной бомбардировкой катодной диэлектрической вставки частью

ионов, достигают оси катода и затем оседают либо на стенках детектора, лиоо па стенках катода. РЬтульспое магнитное поле, создаваемое соленондом, обеепечивает полную отсечку электронного тока в диоде.

Устройство позволяет увеличить срок службы анода, однако вывод иучка ионов в нем невозможен.

Цель изобретения - вывод сильноточного нонного нучка из пушки.

Цель достпгается тем, что апод и катод ионной пушкп выполнены в ви71,е усеченных конусов раструбами в сторону вывода нонного нучка, причем радиус днзлектрической вставки соотносится с радиусом менынего основания катода как

/ - /

Ч в - А к с

где t/o - напряжение, приложеппое к дподу;

б - объемная плотность заряда ионов, а высота катодной диэлектрической вставкн равпа длине отрезка, ограниченного точками иерссечеиия осп катода с плоскостью, проходящей через меньшее основание катода, с одной стороньг, п перпендикуляром, восстановленным в центре отверетня нервого ряда от основания катода.

На чертеже показана конструкция ионной пушки.

Ионная пушка содержит внешний соленоид 1, анод 2-6 и катод 7, выполненные в виде усеченных полых конусов раструбами в сторону вывода ионного пучка, причем катод расположен коакспально внутрн анода. Анод состоит из внешнего металлического конуса 2, соединенного с высоковольтным электродом, изолятора 3 и внутренного металлического конуеа 4 с отверстня.ми на его боковой поверхности иод анодные диэлектрические вставки 5, являющиеся источниками нонов. В центр каждой анодной диэлектрической вставки 5 введен металлический стержневой электрод 6, соединенный с внешним металличеекнм коиусом 2. На боковой поверхности катода 7 в соответствии с иоложенне.л анодных диэлектрических вставок 5, сделаны отверстия для вывода ионных пучков. Диаметр отверстий d ; d где d - диаметр анодной днэлектричеекой ветавки 5. К торцу 7 кренится диэлектрический колпак 8, служащий для подавления эмиссии электронов с основаиия катода, и катодная диэлектрическая вставка 9, обесиечпваюшая нейтрализацию объемного заряда ионов, движущихся внутри катода 7. Катодная диэлектрическая вставк-а 9 выполнена в виде цилиндра с радиусом основания R и высотой h. Одним нз оснований она кренится к диэлектрическому колнаку 8. а высота ее выбрана равной длиие отрезка, ограничеиного точками нересечеиня оси катода с плоскостью, проходящей через меньшее основа.ние катода, н перпендикуляром к боковой поверхности катода, восстановленным в центре отверстия иервого ряда от осиоваиия катода.

При поступлении высоковольтного имнульса положительиой полярности на внешний металлический конуе 2 анода и соединенный с 1П1М металлический стержневой электрод 6 происходит иробой по поверхности анодной диэлектрической вставки 5 между виутреппим металлическим конусом 4 п электродом 6 за счет разной электрической длины изолятора 3 и электрода 6. Этот пробой приводит к образованию плазмы, служащей источником ионов. Под действием электрического поля в пределах каждой анодной диэлектрической вставки 5 в направлении к катоду 7 формируется ионный ноток. Цмиульсное магнитное поле внешнего соленоида 1 обеспечивает отсечку электрониого тока в зазоре между аиодом п катодом в течеиие всего импульса, т. е. выполнено условие магнитЕгой нзоляции

В 3.4 ,

где К - масштабиый фактор, К 2;

d - зазор г ежду анодом п катодом, см;

UQ - напряжение, приложенное к диоДУ, МБ,

В - напряженность магнитного иоля, кГс.

Сформированные потоки ионов входят через отверстия внутрь катода и движутся цод углом |5 90° к его оеи. За счет кулоновских сил расталкивания между симметрично сходящимися к оси конуса потоками их радиальная составляющая скорости уменьшаетея до нуля, но при этом продольная составляющая скорости сохраняется. Часть ионов, входящих через отверстия ряда, расположенного ближе других к меньшему основанию катода, бомбардирует катодную диэлектрическую вставку 9 и создает на ее поверхности плазму. Под действием электрического ноля, создаваемого объемным зарядом ионов, входящих через остальные отверстия, из плазмы вытягиваются электроны п движутся вдоль силовых линий магнитного ноля 10, образуя капал плазменных электронов. Радиальный размер канала определяется радиальным размером катодной диэлектрической вставки 9. Радиус катодной диэлектрической ветавкн 9 выбран равным радиусу, на котором ионы, движущиеся к оси катода, иотеряли полностью или большую часть радиальной скорости, п рассчитывается по формуле

R - Р Q-UIK

J в - к )

где Ra - радиус катодной диэлектрической вставки 9; /,i - радиус меньшего основания катода .7; Ни - напряжение, приложенное к диоду;5 - объемная плотность заряда После иопадания в область канала плазменных электронов нонный ноток становится зарядо-нейтральным (отсутствует кулоновское расталкивание) н при движении вдоль оси катода со скоростью, определяемой формулой; V где Ко --напряжение, приложенное к диоду;. , g - заряд иона; ;VI - масса нона; |5 - угол, нод которым нормаль к боковой поверхности катода пересекает ось катода, выводится из иун1ки. Предлагаемая ноиная иуи1ка позволяет получать спльноточные ионные иучкп высоких плотностей ( А/см), представляющие бо,1ьи:ой интерес в плане peaлпзаиии уиравляемого термоядерного синтеза, а также в (лгзнке ядра и смежных с нею областях. Формула изобретения 1. Ионная nyuiKa, содержащая виешнпП соленоид и диод, анод которого служит источником иоиов и расиоложен коаксиально снаружи катода, выполненный из проводника с днэлектрическимн вставками проводящий катод с диэлектрической вставкой на торне, с отверстнямн напротив диэ.лектрических вставок анода, отличающаяся тем, что, с целью вывода сильноточного ионного иучка из пущкп, аиод и катод ее выполнены в виде усеченных конусов раструбами в сторону вывода понного пучка, причем радиус диэлектрической вставки соотносится с радиусом меиьп1его осиоваиия катода как Р Rp-1J-f: V В к ) где /о - наиряжение, ириложениое к диоду;б - объемная плотность заряда 2. Пушка по п. 1, отличающаяся тем, что высота диэлектрической вставки равна длиие отрезка, ограннченного точками пересечения оси катода с плоскостью, гфоходящей через меньптее основание катода, и иериснднкуляром к боковой поверхности катода, восстановленным в центре отверстия первого ряда от основания катода. 11сточники информаиин, прииятыс во внимание ирп экспертизе 1.W. М. Black; Golden I.; Kapetana kos С. A. Bull. Am. Phys. Soc. 20, 1381, 1975Г. 2.C. A. Kapetanakos, R. K. Parker; I. R. Chu. Appl. Phys. Lett. 26, 284. 1975 r. 3.A. niimphries; Ir. R. N. Sudan; L. Willey. I. Appl. Phys. 47, N 6, 2382,