Ионная пушка

41949 СОЮЗ СОВЕТСКИХСООИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИК 51)5 Н 05 НИЯ 19 ОСУДАРСТБЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРГЮ ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ ОПИСАНИЕ ИЗОБР РСКОМУ СВИДЕТЕВЬСТВУ(71) Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом институте им. С,М. Кирова(54) ИОННАЯ ПУШКА (57) Изобретение может быть использовано для генерации мощных потоков ионов в широком диапазоне атомных масс. Ионная пушка содержит источник 1 высоковольтных импульсов, выполненный на формирующей линии с электрической длиной , магнитную систему 2, противостоящие катод 3 с источником 4 плазмы и анод, включающий сетку 5 с отверстием, спираль (С) б, полый цилиндр (ПЦ) 7 диаметром д А, пленку 8 с проводящим покрытием прикрепленную к ПЦ 7 на расстоянии 105+ д,1/2 от удаленного ог катода 3 торца анода. Диаметр С 6 равен д , а ее дли- с на 2 удовлетворяет выражению 10с 1 4 10 (д, М)ф, где й - число витков С 6. Ионная пушка имеет увеличенные энергию и мощность ионно" го пучка. 1 ил.Иэобретени относится к ускорительной технике и может быть применено для генера 1 ии мощных потоков ионов в широком диапазоне атомных масс,Целью изобретения является увеличение энергии и мощности ионного пуч-,с 10 (д й)ф 10 с,с Е где Х - число витков спирали 6.Кроме этого, на чертеже обозначены: плазменный столб 9 (плазма, создаваемая источником 4 плазмы), плазма 10, образующаяся при раэогреВе З 5пленки 0, траектории 11 электронов,вирту;.льный,катод 12, ионный пучок 3,анрдод ржатель 14,устройство работает следующим образом. 40Включают магнитную систему 2, создакзцую аксиальное ведущее магнитноеполеВ расчетный момент времени,когда поле блиэко к максимальному,включают истсчник 4 плазмы, и пространство между катодом 3, сеткой 5и проводящей пленкой 8 заполняетсяплазмой. Спустя расчетное время, когдаплотность этой плазмы достигнет необходимой величины, например (1-2) фю 10 см , на анодньй цилиндр 7, спид 13раль 6 и сетку 5 от источника 1 высоковольтных импульсов подают высоковольтный нано- или микросекундныйимпульс положительной полярности,Так как катод 3 и пленка 8 с проводящим покрытием оказываются эакороченными плазмой (плазменный столб 9),то в цепи: катод 3 " плазменный ка.На чертеже изображена конструк гивная схема ионной пушки.ОПушка содержит источник 1 высоковольтных импульсов, выполненный на Формирующей линии электрической длиной , магнитную систему 2, противостоящие катод 3 с источником 4 плаз. 5 мы и анод, включающий сетку 5 с отверстием, спираль 6, полый цилиндр 7 диаметром 4, пленку 8 с проводящим покрытием, Пленка 8 прикреплена к цилиндру 7 на расстоянии 0 + в " от удаленного от катода 3 торца анода. Один конец спирали 6 соединен с сеткой 5, а другой - с источникоми торцом цилиндра 7, на котором укреп лена пленка 8, Диаметр спирали 6 ранен д, а ее длинаудовлетворяет выражению столб 9 - пленка 8 с проводящим слоем - анододерзатель 14 потечет ток Г который замыкается на источник 1 высоковольтных импульсов, Так как индуктивность этой цепи конечна, то ток 1 будет нарастать во времейи н до тех пор, пока его значение не превысит значения критического тока 1для плазменного столба 9р пв Бргде пе - плотность плаэмы;8 - поперечная площадь плазменного столба;лЧ " тепловая скорость электроенов плазменного столба 9 (между катодом 3 и сеткой 5 нет разности потенциалов).При превышении током цепи 1 критического значения 1вблизи катода 3 образуется разрыв плазмы, так наэы ваемой двойной слой с падением на нем потенциала. В двойном слое реализуется сильноточный резим отражательной системы: иэ пчаэменного столба 9 в сторону катода 3 будут уходить ионы, а в сторону сетки 5 - электроны, эмиттируемые с катода 3 в результате взрывной эмиссии, и электроны из плазменного столба 9. Электроны проходят анодную пленку 8, обраэуь:г по другую сторону виртуальный катод, отражаются от него, двигаются в обратном направлении и т.д т.е. совершают осципляции между катодами 3 и 2, При этом происходит быстрое накопление осцкплирующих электронов траектории 11, которые нейтрализуют заряд ионов уходящих иэ плаэменного столба 9 в сторону катода 3. Вслед"ствие этого импеданс двойного слоя уменьшается, и как электронная, так и ионная компоненты тока продолжают расти. При многократном прохождении пленки 8 осциллирующие электроны испытывают рассеяние и приобретают конечную скорость. Вследствие наличия ведущего аксиального магнитного поля они начинают двигатьсяпо ларморовским окружностям, так что огибающая поверхность электронного пучка оказывается по диаметру несколько большей, чем диаметр отверстия в сетке 5. В результате часть электронного тока поп дающая на сетку (Фактически это ток потерь 1 я), протекает по спира" ли 6.Ток потерь (1 ) обычно составляюет 5" 103 от полного тока электронов.1419494 4 Для энергий электронов в диапазоне аноде ионной пушки это со:тавчяет 0,5-1 МэВ, ведущих магнитньгх попей " (О, 1-0, 2 ) д, Р а с е ты и о к;. э ь в а и т10 - и г(- О ) Гс и средних углов рас- что эквипотенциаль с потенциалом, втсеяния 10-20 срелние ларморовские личашимся от 4 на значение я у- радиусы для рассеянных на эти углы" (0,1-0,2)у 4 провисает внутрь отэлектронов лежат в диапазоне десятых вероятия радиусом К на значение (0,1- долей сантиметра. А это составляет-0,2)й,т,е. на доли сантиметров по площади и с учетом высокой проэ- Следоваггльно, как только гра)п.ца рачности сетки ( 807) - 103 от обыч О плазмы отойдет на это расстояние но используемых площадей электронно- от -етки, вихревая тормозящая ЭдС го пучка в диапазоне (10 - 10) см, бУдет уже полностью компенсировать Таким образом, в процессе нараста- УскоряющУю электростатическую разность ния полного тока ускорителя в индук- потенциалов и это обеспечивает отсечтивности 1,. спирали 6 накапливается 1 б ку ионного тока, Расстояние в доли энергия 2 , обусловленная част ю1 сп 1 п сантймет а плазма иР проходит эа время,меньшее 10 нс при известной скорости тока 1), протекающей по ней, а в : 10 см/сВ известной ионной пушглу ину радиоде реализуется сильноточный режим. ке продвижение плазмы на глубин Отбор большого ионного тока приводит 20 диуса, т.е. большую, чем ь предлагак быстрой эрозии плазмы, т.е. Расши- емой пушке, занимало соответственно рению двойного слоя со скоростью, до- большее время ( 20 нс). Таким обрастигающей 1 О м/с. Спустя единицы- зом,величина с 1/дС при работе на десятки наносекунд, граница двойного прежних уровнях возрастает примерно слоя достигает сетки 5, проходит ее 25 в 1,5-2,5 раза и соответственно воэплоскость и начинает расширяться в Растает вихревая ЭДС Ь д 1/д 1,ф ц е при виде вогнутой поверхности внутрь про- лагаемая к ускоряющему зазору пушки, странства, ограниченного спиралью 6 Здесь Ь - индуктивность це иЦцепи пушки. Вследствие экранировки электрическо- Длину спирали 6 выбирают иэ следукщих го поля ускоряющего зазора сеткой 5 З 0 соображений, Во-первых, она должна в области за сеткой оно быстро спа" быть такой чтобы 1 ) ЧУ .ц, т.е. дает до нуля (на глубине порядка ра- длина должна бьггь больше расстояния, диуса отверстия), и ионный поток так- проходимого за время импульса плазме начинает быстро спадать. При этом мой, образованной гри разогреве плен- соответственно начинает спадать и35ки 8 осциллирующими электронами Оронами. .тчасть тока пушки, протекающего по сюда г, 7 1 О (м/с) 2 сф Ч фс 11 п Во-вторых, длина связана с треспирали 6. Этот спад - вызывает ген. буемой иьдуктивностью, которая долж"1 пнерацию вихревой ЭЛС = -1.- присп с ю на быть такой чтобы Ь - - а Ч11 пч40сп 1 с ) ф ложеннои на участке поверхность ппаэ- где Л - провисание ускоряющего мы - плоскость сетки, направленнойпотенциала внутрь отверстия в сетвстречно движению ионов. Эта ЭДС увеГ чвке 5, Выбирают йЧ на уровне д(О личивает скорость спада ионного тока, 1 О.)ф 1 б ) ч, где ц,- потенциал анода. что, в свою очередь, приводит к ее;, 06Ф4 Взяв = 1 В, получают Л 1 О- возрастанию и т,д. Таким образом, У-10 ) В. Для обычных параметров плаэ" процесс характеризуется положительноймснаполненных отражательньсс систем обратной сгявью и приводит к лавиноскорость обрыва полного тока пушки образному обрыву полного тока. Дли 13тельность этого процесса определяется о1 О А/с . Выбирая для тока, провременем достижения тормозящей вихретекакщего по спирали, "103 для Ь вой ЭДС (-1.,) значения, равного получают диапазон Ь "- (10 -10 ) Гн,учитывая, что индуктивность спирали доле ускоряющего потенциала, превышающего внутрь сетки 5. Е примеруФ КРРЯ 4 п 1 О " у ааф К е для средних зв;внии с 1/сс (1-2)5 б Р1 4в 10 Л/с и 1.,-1 О нГн вихревая ЭДС К.10составляет (1 Н) к В, ля мегаУ вольтного дивв г н,иапряженич нал -Чгде л = 410 Гн/м;141944 оставитель Н. Катиноваехред Л,0 лийиык ктор Т. Иванов ктор В няк каэ 347 одписно Тир алс.ИИПИ Государственного кпо делам изобретений и5, Иосква, В-Э 5, Раушск и.етакрытийнаб./5 роектная иэводственно-полиграфическо предприятие, г. Уагор ный на фсрмируюе линии электрической длиной Г(с), магнитную систему, противостояще катоп с источником плаэмы и анод, включающий сетку с5 отверстием, полый иичнлр диаметром с 1 1 (м), пленку с проводящим покрытием, прикрепленную к цилиндру на рас" , стоянии 1 О + - от удаленного отвО катода торца анода, о т л и ч а ю щ а"я с я тем, что, с целью увеличения ъ ер ги мОщлс тн сОГОуч св;ле неслу с етко" и ии.и лромустасвпе; спираль, опсец ст -рсй соединен с сетксй, в другойс ист иком вьсоковльтннх импульсов и торцом влядра, на которомукреплена пленка, при этом диаметрспирали равен с 1 а ее длина(см)удовлетворяет вшакению 10 т к Й 6 10 (дЙ)ф,где М - число витков спирал