Ионная пушка

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИН П 9) 01) 5 А 1) 27/04 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯН АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ СССР ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ ССС ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫ(71) Научно-исследовательский институт ядерной Физики при Томском политехническом институте имени С.М, Кирова(56) 1, Авторское свидетельство Р 605480, кл. Н 05 Н 5/00, 1977.2. Авторское свидетельство СССР В 660543, кл. Н 05 Н 5/00, 1978. (54)(57) ИОННАЯ ПУШКА на основе высоковольтного отражательного тетрада, содержащая корпус, катод, анод, установленный на высоковольтном вводе, и соленоид,для создания магнитного поля в зазоре между катодом и анодом, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью повышения длительности рабочего импульса, введена система импульсной подачи газа, анод и катод выполнены в виде трубопроводов одина" ковой 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 Ю , оси которых параллельны и образуют с направлением магнитного поля угол900+ с 6, при этом анодный трубопровод от точки соединения с корпусом до высоковольтного ввода имеет Е Форму спирали.Изобретение относится к ускорительной технике и может быть исполь,зовано для получения сильноточныхионных пучков большой длительности.Сильноточные ионные пучки находят в настоящее время широкое применение в исследованиях по нагревуплазмы для термоядерного синтеза,при обработке материалов путем нагрева или имплантации в технологических целях и т.д. 10Известны ионные пушки, предназначенные для получения сильноточныхпучков, представляющих собой системыдвух типов. Это магнитоизолированные диоды и отражательные системы,отличающиеся направлением внешнегомагнитного поля 1 .У первых оно поперечно к ускоряюцему электрическому полю. У отражательных систем направления полейсовпадают. 11 агнитоизолированные диоды позволяют генерировать длительные ионные пучки, достигающие нескольких секунд, Эта возмохность связана с тем, что наложение поперечногомагнитного поля на анод-катодный(А зазор тормозит движение анодной и катодной плазмы так, что ее .скорость не превышает 0,510 см/с,6Существенным недостатком магнитоизолированных диодов является небольшой ионный ток, превышающий ток, ограниченный па закону "трех вторых",в лучшем случае в 2-6 раз. Значительно больший ионный ток генерируетсяв отражательных системах, 35Ближайшим техническим решением является ионная пушка на основе высоковольтного отражательного тетрода,содержащая корпус, катод, анод, установленный на высоковольтном вводе, 40и соленоид.для создания магнитногополя в зазоре между катодом и анодом 2,Анод пушки составлен из тонкойводородсодержащей пленки и металлической сетки со стороны катода.Противолежащий ему сплошной заземленный катод выполнен из проводящего материала, например углерода.Недостатком известной. пушки является невозможность генерации ионногопучка, превышающего по длительностинесколько десятков нс, обусловленнаярасширением взрывоэмиссионной катодной плазмы, и перемещение А - К зазора,55Целью изобретения является повышение длительности рабочего импульса,Эта цель достигается тем, что в известную ионную пушку на основе высоковольтного отражательного тетрода,брсодержащую корпус, катод, анод, установленный на высоковольтном вводе,и соленоид .для создания магнитногополя в зазоре между 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 К , оси которых параллельны и образуют с направлением магнитного поля угол : 90 о+ С, 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 вво де 3. С некоторым 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 сйстеме ймпульсной подачи газа 6. 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,создаюцего продольное магнитное поле;срабатывает импульсная система подачи газа 6 и в вакуумированные катодную и анодную трубопроводы выбрасывается порция газа. Анод и катодпри этом работают в режиме ударныхтруб с резкой границей газ-вакуумна переднем фронте. Дойдя до соплЛаваля 5, газ выбрасывается в объемпушки в виде струй с полууглом рас-ходимости Ю . Для обеспечения лучшего взаимодействия с магнитным полемнаправления осей сопл составляютс линиями магнитного поля угол= 90 + ю . В соответствии с чертежом для анода р = 90 +, а длякатода= 90 -или наоборот.Пространственная ограниченность струивдоль ее оси обеспечивается ограниченным временем истечения газа, спустя которое срабатывает ускоритель,Для электрической развязки высоковольтного анода, на который прихо"дит заземленная анодная труба, онавыполнена в виде спирали, индуктивное сопротивление которой должнобыть большим. После сформированиякатодной и анодной струй подаетсявысокое положительное напряжениена анод. При этом, если впрыскивался нейтральный газ, происходят пробой по струям и образование плазменных катода и анода. Для обеспечения необходимой плотности эмиссионного тока достаточна концентрация10 - 10 см , что легко достигаетЗаказ 8242/7 Тираж 703 Подпис ноеВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий11303.5, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 Филиал ППП фПатЕнт", г, Ужгород, ул. Проектная, 4 ся. 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.Принципиальным моментом в работе данной ионной пушки является то, 10 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 15 атомов или ионов плазмы вдоль своей продольной оси Поперечная составляющая скорости может быть подавлена в М раз, .где М - число Маха, достигаюцее, например 10, Даже если бы к соплам подавалась плазма, имеющая те же характеристики, которые имеет взрцвоэмиссиониая и пробойная плазма в известных пушках, время перемыкания Ь-К зазора увеличилось бы в 10 раз. Реально эта величина может ,быть больше поскольку к соплам можно подавать более холодную плазму и регулировать ее параметры, За счет ,поворота осей сопл на угол 0 расширение струй в А-К-зазор может быть ЗО полностью подавлено, Размеры пушки могут быть сделаны достаточнымидля генерации пучков длительностьюнесколько мкс, это следует из того,что Э2 Т О , где Р - поперечный размер пушки, Тц - длительность импульса, Оц - продольная скорость в струе. Для максимальных скоростей 0 = 106- 10 см/сдлительностью пучка в 5 мкс потребует размера пушки З .50 см, что не превыша-.ет размеров известных ионных пушеки не является предельным. После окончания процесса ускорения газ расширя"ется в объем пушки и откачиваетсявакуумным насосом. Для электрическойизоляции анода размер спирали 7 выбиДррается из условия - 1,р,где- волновое сопротивлениепушки ( = 10-20 Ом), фГ - длительность импульса," индуктивностьспирали, Практически для импульсадлительностью Т = 5 мкс спираль может иметь длину 70 см при диаметре10 см и содержать 11 витков. Дляинжекций частично ионизированныхструй после импульсного клапана можетбыть установлен разрядник.Таким образом, изобретение позволяет повысить длительность рабочего импульса до нескольких мкс вместо десятков наносекунд у известных пушектакого типа.