Ионная пушка Советский патент 1982 года по МПК H01J37/08 

Изобретение относится к ускорительной технике н может найти применение для получения сильноточных сфокусированных ионных пучков (ИП).

Известны ионные пушки, основанные 5 на ионном диоде с магнитной изоляцией, в частности, содержащие коаксиальные, цилиндрические да-нод, катод и внешний соленоид для создания изолирующего магнитного поля 1.JQ

В таких пушках анод выполнен в виде топкого металлического цилиндра, внутренняя поверхность которого, обращенная к катоду, содержит водородосодержащие участки, а катод вынолиеп в виде системы иб массивных металлических колец с высокой электрической проводимостью (в частности, алюми|Ниевых), расположенных аксиально с анодом.

К недостатку известных ионных пушек 20 отпосится низкая энергетическая эффективность, связанная с ограниченной степенью фокусировки, вследствии того, что часть создаваемого магнитного потока протекает в зааподную область. В результате 25 из-за сохранения канонического импульса ионы, движущиеся к оси внутри катода, будут иметь также и азнмутальную компоненту скорости.

Ближайшим техническим решением к 30

изобретению является ионная пушка, содержащая цилиндрический катод и коаксиально расположенпый охватывающий его анод, формирующие кольцевой апод-катодпый промежуток, а также магиитиую систему, образованную двумя солвподами 2.

Магнитная система выполнена в виде двух раздельных соленоидов, помещенных внутри катода в виде тонкой металлической сетки с низкой электрической проводимостью. Анод выполнен массивным из металла с высокой электрической проводпмостыо.

При поступлении токового импульса в обмотку соленоида создается аксиальное магнитное поле.

Вследствие импульсного характера магнитного поля и высокой проводимости катода магнитные силовые линии не проникают внутрь катодных колец, а располагаются параллельно огибающей поверхности катода, образуя изолирующую магнитную «подушку. При достижении максимума ианряженности магнитного поля па анод поступает высоковольтный импульс напряжения иоложнтельпой полярности. При этом по поверхности водородосодержащи.ч участков анода, за счет переходных процессов, происходит электрический пробой.

п генерируется поверхностная плазма, служащая источником ионов. Аксиальное магнитное ноле препятствует протека.нню в анод-катодном (А-К) зазоре электронного тока. Ноны, вытягиваемые электрическим полем в сторону катода, к оси системы через зазоры между кольцами, образуя линейно сходящийся ионный иучок. Вследствие высокой проводимости анода н ннзкой нроводнмости катода импульсное магнитное изолирующее иоле занимает пространство, ограпиченное снаружи анодом, и иоиы нри движении к ocii проходят нулевой магнитный поток п не имеют на осн азимутальную компоненту скорости.

Однако низкое качество фокусировки ионов, свойственное нзвестной пушке, обусловлено тем, что внутри катодной полости ионный пучок распространяется перпендикулярно к магнитным силовым лиииям н поэтому не сопровождается медленными электронами. Это вызывает нарушение пейтрализацин ионного пучка внутри катода, ириводящее к увеличению «температуры пучка, т. е. его угловой расходимости. Это ие позволяет получать плотный линейный фокус на оси ИП.

Вследствие большой проводимости электроиов вдоль силовых линий магпигного поля, электроны дрейфуют к краям А-К зазора, и в краевых электрических нолях анода наблюдаются большие утечки электронов }ia анод.

Целью нзобретения является улучшение фокусировки ионного пучка.

Достигается это тем, что в известной ионной нушке, содержащей цилиндрический катод п коаксиально расположеиныЛ охватывающий его анод, формирующие кольцевой анод-катодный промежуток, а также магнитную систему, образовапиую двумя солеиопдамн, оба соленоида установлены между катодом п анодом так, что каждый из соленоидов частично расположен в анод-катодном промел утке.

На чертеже приведена принципиальная схема устройства, содержащая цилиндрические коаксиальпо расположенные анод 1, катод 2 и размещенные между катодом и анодом катуипчи соленоида 3.

Устройство работает следующим образом.

При подаче токового импульса в катушке соленоида создается аксиальиое изолирующее магнитное поле, которое ограничено катодом и анодом, вследствие скип-эффекта. При достижении необходимого зиачения напряжеппости магнитного Г1оля в А-К зазоре на анод поступает импульс напряжеиия положительной полярности. В это время на поверхности анода, которая обращена к катоду, формируется илазма, служащая источником ионов. Механизм образования плазмы может быть различным, например пробой по поверхности водородосодержащих участков за счет переходных процессов или создаиие иа новерхности анода металлической нлазмы с помощью лазеров и т. д. Ионы, сорт которых будет определяться сортом созданной плазмы, ускоряясь в А-К зазоре, проходят через кольцевые прорези в катоде и

двнжутся к оси ИП, образуя линейно схо-. дящийся ионный пучок.

В качестве примера необходимых значений магнитного поля рассмотри.м ИП с нанряжением в 1 Мэв. При А-К зазоре

в 1 см индукция магнитного полядля предотвращения протекания электронного тока (Вкр ) должна быть для этого зазора ,5 кГс. Катушки можно намотать на заземленном катоде с двухслойной обмоткой

из фольги толщиной ,05 см, что вместе с межслойной изоляцией займет ,4 см. Таким образо.м зазор а-нод-катушка будет равен 0,5 см и для этого зазора В р 7 кГс. При расстоянии между катушками см отношение иидукции магнитного поля в зазоре анод-катушка к индукции в середиие А-К зазора будет равно 8. Таким образом, если в области А-К зазора, где происходит ускореиие иопов, обеспечиваем ВКР для этого зазора, то в зазоре анод-катушки будет поле, в четыре раза превышающее Вкр для этого зазора. Наличие на краях А-К зазора магнитных «пробок не позволяет электронам дрейфовать к краям А-К зазора.

Расположение части катушек вне А-К зазора иеобходимо для того, чтобы предотвратить попадапие электронов с катода на анод в области, где еще нмеется сильное

электрическое поле апода.

Выполнение катода и анода массивными из металла с высокой электрической проводимостью и размещение катушек соленоида в А-К зазоре отличает предложепную ИП от известных, позволяет в одном устройстве сочетать иеобходимые качества, производить транспортировку ионного пучка зарядов нейтрализованным, обеспечивать отсутствие азимутальной

компопепты скорости ионов на осп ИП. Кроме того, благодаря указанному размещению катушек можно снизить утечки электронов па анод и затраты на созда.ние магнитного ноля, что значительно повышает эпергетическую эффективность создапия плотного линейного фокуса ионов на оси ИП.

Формула н 3 о б р е т е ir и я

Ионная пушка, содержащая цнлпндрнческий катод н коакснально расположенный охватывающий его анод, формирующие кольцевой аиод-катодиый промежуток, а также магнитную систему, образо

854198

ванную двумя соленоидами, о т л н ч аю щ а я с я тем, что с целью улучшения фокусировки ионного пучка, оба соленонда устаиовлены между катодом и анодом так, что каждый из соленоидов частично расположен в анод-катодном промежутке.

Источники информации, принятые во винмаине ир экспертизе

1. Gelnspan М. А., Hammer D. Д., Su6

dan R. N. Production of intense focused ion beam in a spherical magnetically insulated diod. Journal of Applied Ph sics., v. 50, N 5, 1979, c. 3032.

2. Панадичев В. A. Получение, транспортировка и фокусировка ноиных нучков. Атомная техника за рубежом, Л9 12, 1978, с. 11 (нрототип).

У///////////7.

IW7/77/////A