Ионная пушка Советский патент 1983 года по МПК H01J27/04 

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть исполь эовано для получения сильноточных ионных пучков большой длительности. Сильноточные ионные пучки находят в настоящее время широкое применение в исследованиях по нагреву плазмы для термоядерного синтеза, при обработке материалов путем нагрева или имплантации в технологических целях и т.д. Известны ионные пушки, предназна ченные для получения сильноточных пучков, представляющих собой систе двух типов. Это магнитоизолированные .диоды и отражательные системы, отличающиеся направлением внешнего магнитного поля |jL . У первых оно поперечно к ускоряющему электрическому полю. У отра жательных систем направления полей совпадают. Иагнитоизолированные дио ды позволяют генерировать длительные ионные пучки, достигающие неско ких секунд. Эта возможность связана с тем, что наложение поперечного магнитного поля на анод-катодный (А-К) зазор тормозит движение анод ной и катодной плазмы так, что ее скорость не превышает 0,510°см/с. Существенным недостатком магнитоизолированных диодов является небол шой ионный ток, превышающий ток, ог раниченный па закону трех вторых в лучшем случае в 2-6 раз. Значител но -больший ионный ток генерируется в отражательных системах. Ближайшим техническим решением является ионная пушка на основе высок:овольтного отражательного тетрода, содержащая корпус, катод., анод, установленный на высоковольтном вводе и соленоид..для создания магнитного поля в зазоре между катодом и анодом 2 . Анод пушки составлен из тонкой водородсодержащей пленки и металлической сетки со стороны катода. Противолежащий ему сплошной заземлен ный катод выполнен из проводящего ма териала, например углерода. Недостатком известной, пушки является невозможность генерации ионного пучка, превышающего по длительности несколько десятков не, обусловленная расширением взрывоэмиссионной катодной плазмы, и перемещение А-К зазора. Целью изобретения является повышение дшительности рабочего импульса Эта цель достигается тем, что в известную ионную пушку на основе высоковольтного отражательного тетрода содержащую корпус, катод, анод, уста новленный на высоковольтном вводе, и соленоид для создания магнитного ПОЛЯ в зазоре ме;кду катодом и анодом введена система импульсной подачи газа, анод и катод выполнены в виде трубопроводов одинаковой длины, электрически связанных с корпусом, подсоединенных к системе импульсной подачи газа и заканчивающихся обращенными друг к другу выходными каналами, в виде сопл Лаваля с полууглом раскрытия оС , оси которых параллельны и образуют с направлением магнитного- поля угол ft - 90° 1 ОС. , при этом анодный трубопровод от точки соединения с корпусом до высоковольтного ввода имеет форму спирали. Сущность изобретения поясняется чертежом. В соленоид 1 помещен анод 2, установленный на. высоковольтном вводе 3. С некоторьом зазором по отношению к аноду расположен катод 4. . Катод, и анод представляют собой тру: бопроводы, заканчивающиеся каналами в виде сопл Лаваля 5. Анодная и катодная труба проходят через заземленный корпус и подсоединены к системе импульсной подачи газа б. Анодный трубопровод на участке от точки соединения с корпусом до точки подсоединения высоковольтного ввода выполнен в виде спирали 7. Работает ионная пушка следующим образом. После включения соленоида 1,создающего продольное магнитное поле-, срабатывает импульсная- система подачи газа бив вакуумированные катодную и анодную трубопроводы выбрасывается порция газа. Анод и катод при этом работают а режиме ударных труб с резкой границей газ-вакуум на переднем фронте. Дойдя до сопл Лаваля 5, газ выбрасывается в объем пуыки в виде струй с полууглом рас- ходимости «; . Для обеспечения лучшего взаимодействия с магнитным полем направления осей сопл составляют с линиями магнитного поля угол I .- об . В соответствии с чертежом для анода Pq 90°+ об , а для катода |3i; 90°- об или наоборот. Пространственная ограниченность струи вдоль ее оси обеспечивается ограниченным временем истечения газа, спустя которое срабатырает ускоритель. Для электрической развязки высоковольтного анода, на который приходит заземленная анодная труба, она выполнена в виде спирали, индуктивное сопротивление которой должно быть большим. После сформирования катодной и анодной струй подается высокое положительное напряжение на анод. При этом, если впрыскивался нейтральный газ, происходят пробой по струям и образование плазменных кйтода и анода. Для обеспечения необходимой плотности эмиссионного тока достаточна концентрация 10 - , что легко достигается. Дальнейший процесс ускорения в пушке протекает так же, как и в известной ионной-пушке. Из плазменного катода вытягивается электронный пучок. Электроны пронизывают плазменный анод и разогревают его. При этом формируется виртуальный катод и из плазменного анода вытягивается сильноточный ионный пучок. Прийципиальным моментом в работе данной ионной пушки является то, что катодная и анодная Плазма не могут свободно расширяться в зазор анод-катод, как это происходит в известных пушках. Это связано .с тем,

что сопло Лаваля формирует поток атомов или ионов плазмы вдоль своей продольной оси., Поперечная составляющая скорости может быть подавлена в М раз, .где М - число Маха, достиraiatiee, например 10. Даже если бы к соплам подавалась плазма, имеющая те же характеристики, которые имеет взрывоэмиссионная и пробойная плазма в иэвестных пушках, время переумыкании А-К зазора увеличилось бы

.в 10 раз. Реально эта величина может

.QbiTb больше поскольку к соплам можно подавать более холодную плазму и регулировать ее параметры. За счет

, поворота осей сопл на угол ot, расширение струй в А-К-зазор моясет быть полностью подавлено. Размеры пушки

могут быть сделаны достаточными для генерации пучков длительностью несколько МКС, это следует из того, что D 2 Тц- и„ , где D - поперечный размер пушки, Тц - длительность импульса, Uij - продольная скорость в струе. Для максимальных скоростей Uji 10 см/с длительностью пучка в 5 МКС потребует размера пушки Ci 50 см, что не превышает размеров известных ионных пушек и не является предельным. После окончания процесса ускорения газ расширяется в объем пушки и откачивается вакуумным насосом. Для электрической изоляции анода размер спирали 7 выби- ff , рается из условия-уLip,

где р - волновое сопротивление пушки (р 10-20 Ом}, Т - длитель;ность импульса, L - индуктивность спирали. Практически для импульса длительностью Т 5 мкс спираль может иметь длину 70 см при диаметре 10 см и содержать 11 витков. Для инжекций частично ионизированных струй после импульсного клапана может быть установлен разрядник.

Таким образом, изобретение позволяет повысить длительность рабочего импульса до нескольких мкс вместо десят0ков наносекунд у известных пушек такого типа.

ИОННАЯПУШКА на основе высоковольтного отражательного тетрода, содержащая корпус, катод, анод, установленный на высоковольтном вводе, и соленоид,для создания магнитного поля в зазоре катодом и анодом, отличающаяся тем, что, с целью повышения длительности рабочего импульса, введена система импульсной подачи газа, анод и -катод выполнены в виде трубопроводов одинаковой длины,электрически связанных с корпусом, подсоединенных к системе импульсной подачи газа и заканчивающихся обращенными друг к другу выходными каналами в виде сопл Лаваля с полууглом раскрытия Л , оси которых параллельны и образуют с направлением магнитного поля угол 90°±ot , при этом анодный трубопровод от точки соединения с корпусом до высоковольтного ввода имеет Форму спирали. Л