Ионная пушка

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ССПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИ ОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(71) Научно-исследовательскитут ядерной физики при Томсклитехническом институте им.С(56) Авторское свидетельствоВ 816316, кл. Н 01 Л 27/02,17,12.79.М.Сааагеас ег а 1, "Ргоягевз пСЬе ргодцсгоп оЕ СЬе Ыгепзе ргогопЬеашз юьВЬ аарегьсаИу дпвц 2 аге 1Молев", ЬаЬогагогу ог рМазша зспс 11 ез. Кер. У 249, 1978, р.12-22,СогпеИ Оп 1.чегвдйу, 1 гЬаса,Нею-ЪогЕ,(54) (57)1.ИОННАЯ ПУШКА, содержащаякатод, выполненный в виде полосковойлинии, которая с одной стороны замкнута, а с другой. подключена к источни-ку тока, н имеющая отверстия для вывода ионного пучка и плоский анод, расположенный внутри катода и имеющий цилиндрические скругления на торцах и диэлектрические участки напротив отверстий в катоде, о т л н ч а ющ а я с я тем, что, с целью увеличения коэффициента полезного дейст. вия и повышения однородности пучка ионов, между электродами полоскового катода со стороны подключения источника тока расположен металлический экран, выполненный в виде цоцуцилиндра с диаметром, равным расстоянию между электродами полосковой линии, и имеющий электрический конФ такт с электродами катода.Е2. Пушка по п.1, о т л и ч а ющ а я с я тем, что, с целью повыше.ния ппотности потока ускоренного пуч.ка ионов эа счет его баллистической фокусировки, поверхности анода и катода выполнены в виде части коакси альных цилиндрических ,поверхностей,Изобретение относится к областиускорительной техники и может бытьиспользовано для генерации сильноточных ионных пучков и создания мощныхлазеров коротковолнового диапазона. 5Отсутствие отражающих зеркал, малый коэффициент усиления х на коротковолновых лазерных переходах(х 1 О 2 - 10см " )и сильная зависимость коэффициента усиления от параметров накачки требуют создания сильноточных ионных пушек с высокой однородностью ионного пучка и большойдлиной накачки активной среды,Известна ионная пушка для накачки лазеров, которая содержит размещенные в одном корпусе цилиндрические внешний анод и внутренний, с продольными прорезями, катод, подключенный к дополнительному источникутока. На внутренней поверхности анода,напротив прорезей в катоде, расположены диэлектрические участки, являющиеся источником ионов при поверхностном пробое диэлектрика. Внутрикатода, на оси, размещена активная среда. Такая ионная пушка позволяет получать сходящийся в линейную область ионный пучок.Недостатками этой ионной пушки 30являются низкий КПД и низкая однородность ионного пучка вдоль оси устройства, что связано с дрейфовойутечкой электронов в скрещенных электрических и магнитных полях из анод З 5катодного зазора и срыву прикатодного электрического потока вблизикрая анода. Срыв электронного потока: на анод сопровождается неоднородным накоплением электронов в 40анод-катодном зазоре вдоль оси устройства и вследствие этого неоднородной генерации ионного пучка на оси.Наиболее близким техническим решением является ионная пушка, состоя 45щая из катода, выполненного в видезамкнутой с одной стороны полоско-вой линии иимеющего отверстия длявывода ионного пучка, плоского анода, расположенного внутри катода 50и имеющего на своей поверхности диэлектрические участки напротив отверстий в катоде, и дополнительного источника тока, подключенного к разомкнутым концам полоскового катода.Недостатками такой ионной пушкиявляются низкий КПД и неоднородность генерации ионного пучка вдольповерхности анода.Цель изобретения - увеличение коэффициента полезного действия, т.е.отношения ионного тока пушки к общему току анода, и повышение однородности пучка. ионов.Цель достигается тем, что в ионной пушке, содержащей катод, выполненный в виде полосковой линии, которая с одной стороны замкнута, а сдругой подключена к источнику тока,и имеющей отверстия для вывода ионного пучка и плоский анод, располо 1женный внутри катода и имеющий цилиндрические скругления на торцах и диэлектрические участки напротив отверстий в катоде; между электродами полоскового катода со стороны подключения источника тока расположен металлический экран, выполненный в виде полуцилиндра с диаметром, равным расстоянию между .электродами полосковой линии, и имеющийэлектрический контакт с электродами катода,С целью повышения плотности потока ускоренного пучка ионов за счетего баллистической Фокусировки поверхности анода и катода выполнены в виде части коаксиальных цилиндрических поверхностей.На фиг,1 и 2 изображена схемаионной пушки,Ионная пушка содержит внешнийкатод 1, выполненный в виде полосковой линии с отверстиями 2 дпя вывода ионного пучка и подключенный кисточнику 3 тока, внутренний плоский анод. 4 с диэлектрическими участками 5 на его поверхности, расположенными напротив отверстий в катоде, и тонкий металлический экран 6имеющий электрический контакт сэлектродами полосковой линии и расположенный со стороны ввода. Экран в сечении выполняется в видеполуокружности. Диаметр окружностиравен расстоянию между электродами полосковой линии.Устройство работает следующимобразом.При подключении источника 3 тока к катоду 1 ток, протекающий пополосковой линии, создает изолирующее магнитное поле в пространствемежду катодом 1 и анодом 4. Катоди анод выполнены массивными, из 1102474 4 быстрое магнитное поле не проникаетю " ся равномерным, электроны, являясь в электроды, чем достигается высо- полностью замагниченными, на анод . куя параллельность силовых линий не попадают, и по аноду протекает магнитного поля поверхностям элект- только ионный ток. родов. Магнитный поток ограниченСхема ионной пушки, служащей для только анод-катодным зазором, что , получения сходящегося на ось ионного обеспечивает высокий коэффициент . пучка, показана на фиг.2. Конструкиспользования энергии изолирующего . тивное отличие данной ионной пушки магнитного поля, При достижении макси- от описанной выше заключается только мума напряженности магнитного поля 1 О в том, что поверхности анода и полос" на анод 4 подается высоковольтный кового катода выполнены изогнутыми импульс напряжения положительной вдоль продольной осн, в виде части полярности. При этом на поверхности боковых поверхностей коаксиалььых диэлектрических участков 5 генери- ,:цилиндров. Работа ионной пушки,изобруется плотная плазма, служащая 5 ,раженной на Фиг .2, не отличается от источником ионов. Ионы, ускоряясь работы ионной пушки.с плоскими электв анод-катодном промежутке, прохо- родак, Ионный пучок, генерируемый дят через отверстия 2 в катоде.. Монной пушкой с цилиндрическими по- Электрическое поле ионного пучка . верхностями электродов, в силу вытягивает холодные электроны из сте) зарядовой нейтрализации после пронок катода 1, нейтрализуя ионный . хождения отверстий в катоде сходит- пучок, который может эффективно .: . ся в узкую линейную область. Для транспортироваться на мишень. На эффективной транспортировки ионвнутренней поверхности катода 1, ко- ного пучка в области между катодом .торым теперь являются не только М и активной средой, где магнитное электроды полосковой линии, но и .поле является поперечным, зарядовая дополнительно введенный экран 6, занейтрализация обеспечивается известсчет взрывной эмиссии образуется ными способами и может быть реалислой электронов 7 дрейфующий в зована с помощью диэлектрической скрещенных электрическом поле ано поверхности параллельной направ ф да и магнитном поле изолирующего лению распространения ионного пучтока от,дополнительного источника. . ка (для нейтрализации электронамимСлои электронов, дрейфующий вдоль поверхностной плазмы ), или с помощью плоского нижнего электрода полоско- прозрачной для магнитного поля прового катода, при подходе к замкну- З водящей поверхности (нейтрализация тому концу полосковой линии, имеюще- холодными электронами). Часть изому в поперечном сечении вид полуок- лирующего тока дополнительного ружности, попадает в цилицприческое источника проходит по тонкому экраэлектрическое поле между анодом и нУ.катодом, совершает дрейф вдоль внут О При длине верхнего электрода каренней поверхности закругления и по- тода из меди, равной 100 см, толщи- падает на верхний электрод полоско- не 0,8 см и радиусе скругления ваго катода. Дрейфуя дальше вдоль , на конце его 3,5 см, .при толщине верхнего плоского электрода, элект- нихромового экрана 0,15 мм отношеронный слой попадает в такое же ци З ние сопротивлений экрана и катода линдрическое электрическое поле меж- составляет 180, Поэтому в момент ду анодом и экраном и дрейфует в . подачи высоковольтного. импульса на скрещенных полях по внутренней поверх- анод ток, текущий по экрану, сосности экрана на нижний электрод по- тавляет около 0,5 Х от тока, текулоскового катода. у щего по полосковому катоду .Таким образом, траектория дрейфа Для накачки лазера ионным пучкомэлектронов становитсяр вится замкнутои, ии используют или отражательные систена каком участке траектории не проис- иа или.более эффективные магнито- . ходит локального накопления электро- изолированные система. Но все изчнов, слои дрейфующих электронов вМ вестные устройства, способные :наанод-катодном зазоре становится рав- качать протяженную активную среду,номерным. Ионный ток, снимаемый с отличаются малым КПД. У наиболееплоской части анода, также становит- эффективной ионной ЮДпушки, ЮД, или15 отношение ионного тока к общему току анода ускорителя, составляет 233 в оптимальном режимепричем распределение плотности ионного тока вдоль оси активной среды неравномерно и является неустранимым недостатком базового объекта, связанным с незамкнутым дрейщом электронного слоя. Выполнение ионной пушки с 0 полосковым катодом, имеющим металлический экран со стороны ввода внешнего изолирующего тока, выгодно отличает данную ионную пушку от базового объекта:1 Позволяет проводить накачку активной среды с высокой однородностью при длине накачки до.нескольких метров, а длина пушки ограничи-, вается только соображениями целе-20 сообразности. Область активной среды обычно находится вне вакуумного объема и разделена с ионной пушкой тонкой пленкой, лежащей на металлической решетке, за которую не проникает быстронарастающее магнитное полеИоны пересекают при своем движении сначала магнитный поток в зазоре анод-катод с одной ориентацией, а затем противоположно ориен- З 0 тированный поток на участке катод- корпус, и при симметричном положе-, нии анода внутри катода этот суммарный магнитный поток равен нулю. И по сравнению с базовым объектом, . 35 где имеется осевой снос ионов из-за того, что пересекается только. магнитное поле анод-катодного зазора одной ориентации, в данной пушке ионы не испытывают никакого сноса 46 при движении к оси, и достижимая степень фокусировки определяется только температурой анодкой плазмые2) КПД генерации ионного пучка 45 в данном устройстве достигает в принципе 1003, поскольку при работе с 8= 2-3)В, где В- критическое значение величины магнитного поля, необходимого для магнитной изоля . ции анод-катодного промежутка, электроны не достигают анода, и анод-ка 1 тодный зазор загружен только ионным током. В реальной пушке, даже имеющей замкнутую траекторию дрейфакатод ного слоя, имеется путь для попадания электронов на анод вдоль силовыхлиний магнитного поля., соединяющихкорпус и анод, причем эти потери значительно уменьшаются с уменьшениемглубины проникновения быстрого поляв металл корпуса и анода. Правильное конструирование пушки с цельюувеличения длины линий магнитногополя, соединяющих корпус и анод,и уменьшения напряженности электрического поляв точках пересечениямагнитных линий с поверхностью корпу"са позволит достичь КПД около 95-983.. 3) Пб сравнению с базовым объектом, у которого длительность импульса ионного тока составляет сотнинаносекунд, что объсняется уменьшением эффективного зазора анод-слойэлектронов вблизи того конца анода,ггде. происходит. срыв электронного,потока, и быстрым пережканием этогозазора анодной плазмой, в данномустройстве возможна генерация конгных,пучков и микросекундных длительноетеи, причем длительность опре- .деляется только скоростью перемыкания анод-катодного зазора плазмой,анода, которая для магнито-изолированных: систем составляет 0,30,5:см/мкс,4) Но сравнению с базовым объектом, в котором магнитное поле создается во всем объеме ионной пушки и коэффициент полезного использований энергии магнитного поля составляет 5 8 Ж, в предлагаемой ионной пушке, где магнитный поток сосредоточен в анод-катодной области и ограничен участком транспортировки, этот коэффициент составляет величину около 503, и для ее .рабо- ты требуются значительно менее энергоемкие накопители. Использование для накачки лазера данной ионной пушки позволит реализовать накачку лазерных переходов, лежащих в коротковолновой области, вплоть до рентгеновского диапазона с выходом лазерного излучения вдесятки- сотни Джоулей при соответствующей энергетике сильноточного ускорите- ляе02474 Ось фоюусираЬи едак тор С.Титова Техред И.Астало орректор Е,Сирохман писное акаэ иал ППП "1 атент", г,ужгород, ул.Проектна 43/4 Тир НИИПИ Государствепо делам иэобр, 3035, Москва,. Жаж 793ного комитета СССРтений и открытий5, Раушская наб.,