Лазерно-плазменный источник электронов

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК Л 37 24 1елД БРЕТЕН удД:ЛЬСТВУ МУ СВИД ВТ 1 ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ ОПИСАНИ(56) Коваль Б. А. и др. Генерациясильноточных наносекундных низкоэнергетических электронных пучков,Письма в ЖТФ, 7, в. 20, с, 1227,1981.Богданкевич О, В, и др, 0 воэможности использования излучениялазера для создания мощного источника электронов, "11(урнвл технической физики", 35, в, 11, с. 2052,1965,(54)(57) ЛАЗЕРНО-ПЛАЗМЕННЫЙ ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРОНОВ, содержащий анод,катод и лазер, луч которого сфокусирован на поверхности катода, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, сцелью уменьшения анодного напряжения при сохранении значений тока,анод выполнен в виде сетки и расположен перпендикулярно катоду, введен металлический плоский экран, установленный на поверхности катодамежду точкой фокусировки лазерноголуча и анодом параллельно последнему, при этом свободный край экранаснабжен козырьком со стороны, противоположной аноду, причем внешняякромка козырька лежит в плоскости,проходящей через точку фокусировки1 лаэерного луча параллельно аноду,Изобретение относится к электротехнике, в частности, к технике сильндточных импульсных источников электронов.Известны импульсные сильноточныеисточники с катодами на основенестационарных плазменных образований. В этих источниках достигают значений тока 1 = 10 А при напряжениях 11104 В,Недостатком этих плазменных источников является трудность снижения анодного напряжения до значений1110 В при сохранении значений товзка 1 - 1 О А. В искровом источникеи источнике со скользящим разрядомпричина состоит в невозможности обеспеченйя достаточно малой шириныпромежутка катод-анод с 1(Й1 мм),отвечающей указанным значением 1 и11, В источнике взрывоэмиссионноготипа наличие высокой напряженности вдиодном промежутке (Е1 О В/см,т.е, П,1 О В при й1 мм) Ъриноципиально необходимо для осуществления взрывной эмиссии электронов,Наиболее близким техническим решением к данному изобретению является лазерно-плазменный источникэлектронов, который содержит плоскиекатод и анод, лазер, луч которогосфокусирован на поверхности катода,а эмиттером электронов служит лазер"ная плазма-плазма, создаваемая наповерхности катода, на оси анодногоотверстия, сфокусированным пучкомизлучения импульсного лазера. Сгусток плазмы, появившийся в точке фоку"сировки, распространяется по направлению к аноду, при этом ширина диодного промежутка уменьшается, и возрастает ток. В лазерно-плазменномисточнике достигнуты пиковые значения анодного тока 1. = 500 А принапряжении 11 = 6 10 В.Катод помещен в специальную экранирующую камеру с отверстием, соосным с отверстием анода, Эта камерауменьшает ток прямого разряда черездиодный промежуток, возникающий приего замыкании расширяющейся катодной плазмой,Недостатком этого лазерно-плаз" менного источника электронов является то, что эмиссионная поверхность плазмы, расширяющейся по направлению к аноду, имеет выпуклую форму, Это обстоятельство в сочетании с заметным "провисанием" анода в областиотверстия, препятствует достижениюмалых значений ширины промежутка5катод-анод одновременно для всех то.чек эмиссионной поверхности, а следовательно и достижению более низкихзначений анодного напряжения при сохранении значений тока, Этот недос 10 таток ограничивает применение известного лазерно-плазменного источника в физике электронно-атомныхи электронно-ионных столкновений,экспериментах по взаимодействию элек-15 тронных пучков с плазмой, техникеповерхностного .нагрева металлов,Целью изобретения является уменьшение анодного напряжения при сохранении значений тока.20 Указанная цель достигается благодаря тому, что в лазерно-плазмен"ном источнике электронов, содержащем плоские анод и катод, лазер,луч которого сфокусирован на поверх 25 ности катода, анод выполнен в видесетки и расположен перпендикулярнокатоду, введен метаплический плоский экран; установленный на поверхности катода между точкой фокусировЗ 0 ки лазерного луча.и анодом параллельно последнему, при этом свободныйкрай экрана снабжен козырьком состороны противоположнои аноду 1причем внешняя кромка козюрька лежит в плоскости, проходящей через35точку фокусировки лазерного луча параллельно аноду,На чертеже представлено предлагаемое устройство.40 Лазерно-плазменный источник электронов содержит катод 1анод 2, экран 3 с козырьком, на катоде рас"положена точка А фокусировки лазерного луча,В изобретении благодаря взаимноперпендикулярному расположению ка-,тода и анода ось симметрии. разлетаплазменного сгустка параллельна аноду, Это дает возможность путем вве 50 дения в источник специального экранас козырьком, кромка которого. расположена в плоскости, проходящей черезточку Фокусировки параллельно аноду,и используя известное свойстволазер 55 ной плазмы (разлет ионов по радиальным направлениям) сформировать плоскую плазменную эмиссионную поверхность, параллельную аноду, Образование такой поверхности в, сочетании1102407 с использованием сетки в качествеанода позволяет уменьшить ширинудиодного промежутка до десятых долеймиллиметра (одновременно для всехучастков эмиссионной поверхности),что приводит к увеличению пропускнойспособности промежутка, достижениюболее низких, по сравнению с прототипом, значений анодного напряженияпри прежних значениях тока и, в ито- Юге, к расширению функциональных возможностей источника,При воздействии сфокусированногоимпульсного лазерного луча на поверхность катода в точке фокусировки 15образуется сгусток плазмы, расширяющийся симметрично относительно перпендикуляра к поверхности в этойточке.Ионы лазерной плазмы на расстояниях от точки фокусировки, превы шающих 0,1 мм (в зоне так называемого асимптотического разлета плазмы)движутся строго по радиальным нап-.равлениям, Экран с козырьком З.задерживает на небольшом расстоянии от 25точки фокусировки часть расходящего-.ся плазменного пучка. Остальнаячасть пучка сгустка катодной плазмы) распространяется в телесном углу, ограниченном со стороны анода 30плоскостью проходящей через точку Афокусировки и внешнюю кромку козырька, т.е. параллельной анодуТаким образом, за пределами экрана 3 формируется плоская граничнаяповерхность расширяющегося плазменного сгустка, параллельная аноду иудаленная от него на расстояние Й,,равное расстоянию от анода до точ,ки А, Эта поверхность служит эмис рсионной поверхностью катодной плазмы в предлагаемом лазерно-плазменном источнике электронов, Благодаряее плоскостности расстояние Й можетбыть малым, вплоть до десятых долей 45миллиметра. При таких значениях Й,как следует из известной эависимось. фи гти плотности токаФ 2,3310 У/Й,обеспечивается пропускная способность вакуумного диодного промежутка 50в десятки ампер на квадратный сантиметр уже при анодном напряжении111 кВ,4Анод лазерно-плазменного источника электронов изготовлен из мелкоструктурной никелевой сетки с размером ячейки Ь = 30 мкм и прозрачностью 90 . Точка фокусировки лазерного луча на катоде - пластинке изалюминия расположена на расстоянииЙ = 0,3 мм от плоскости анода, приэтом выполняется обычное для электронных источников условие ЙЬ,Экран, изготовленный из танталовойфольги толщиной 0,1 мм имеет формуполукруга радиусом 4 мм с выступом(козырьком) по полуокружности высотой 0,1 мм. Экран примыкает по диаметру к катоду и изолирован от анода Фторопластовой пленкой толщиной0,1 мм. Плазма создается пучком излучения неодимового лазера с модулированной добротностью, сфокусированным на катоде в пятно диаметром50 мкм. Энергия лазерного импульсасоставляет 0,2 Дж, длительность45 нс. К электродам источника подключен накопительный конденсатор.Ток электронов за анодной сеткой измеряется коллектором, При испытанииисточника анодное напряжение равно1 кВ. В импульсе электронного тока,длительность около 300 нс достигает"ся пиковое значение тока 1 =480 А.Площадь поперечного сечения пучкана аноде составляет при этом 6 смПлотность тока= 80 А/см , определяется пропускной способностью диодного промежутка, так как эмиссионная способность сгустка лазерной плазмы, расширившегося до размеров 2 см,превышает 100 А/смРезультат испытаний показывает,что предлагаемое изобретение позволяет снизить анодное напряжение,при котором ток достигает 1 :500 А,6 кВ - 1 кВ,Лазерно-плазменный источник электронов может быть эффективно использован в атомной физике: в эксперимен,тах по электрон-атомным и электронионным столкновениям, в исследованиях по физике плазмы, связанных свзаимодействием электронов с плазмой, а также в технике поверхностного нагрева металлов.