Лазерно-плазменный источник электронов

 

ЛАЗЕРНО-ПЛАЗМЕННЫЙ ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРОНОВ, содержащий анод, .катод и лазер, луч которого сфокусирован на поверхности катода, отличающийся тем, что, с целью уменьшения анодного напряжения при сохранении значений тока, анод выполнен в виде сетки и расположен перпендикулярно катоду, введен металлический плоский экран, ус тановленный на поверхности катода между точкой фокусировки лазерного луча и анодом параллельно последнему , при этом свободный край экрана снабжен козырьком со стороны, противоположной аноду, причем внешняя § кромка козырька лежит в плоскости, (Л проходящей через точкуфокусировки лазерного луча параллельно аноду.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) (51)4 H 01 J 37 24

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3524886/18-25 (22) 17, 12. 82 (46) 23, 11. 87. Бюл. 1Ф 43 (71) Физико-технический институт им. А, Ф. Иоффе (72) А. В. Голубев и Л. А. Ц маенок (53) 533.9(088.8) (56) Коваль Б. А. и др. Генерация сильноточных наносекундных низкоэнергетических электронных пучков..

Письма в ЖТФ, 7, в. 20, с. 1227, 1981.

Богданкевич О, В. и др. О воэможности использования излучения лазера для создания мощного источника электронов. "11(урнал технической физики", 35, в. 11, с. 2052, (54)(57) ЛАЗЕРНО-ПЛАЗМЕННЫЙ ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРОНОВ, содержащий анод, катод и лазер, луч которого сфокусирован на поверхности катода, о т— л и ч а ю шийся тем, что, с целью уменьшения анодного напряжения при сохранении значений тока, анод выполнен в виде сетки и расположен перпендикулярно катоду, введен.металлический плоский экран, ус» тановленный на поверхности катода между точкой фокусировки лазерного луча и анодом параллельно последнему, при этом свободный край экрана снабжен козырьком со стороны, противоположной аноду, причем внешняя кромка козырька лежит в плоскости, проходящей через точку- фокусировки

1лаэерного луча параллельно аноду.

1102407

Изобретение относится к электротехнике, в частности, к технике сильнрточных импульсных источников электронов.

Известны импульсные сильноточные источники с катодами на основе нестационарных плазменных образований. В этих источниках достигают значений тока I = 10 А при напряженияхU))04

Недостатком этих плазменных источников является трудность снижения анодного напряжения до значений

U 10 В при сохранении значений то0 ка I - 10 А. В искровом источнике и источнике со скользящим разрядом причина состоит в невозможности обеспеченйя достаточно малой ширины промежутка катод-анод d(d 1 мм), отвечающей указанным значением I u

110, В источнике взрывоэмиссионного типа наличие высокой напряженности в диодном промежутке (Е 8 1О В/см, т.е, U + 10 В при d «< <1 мм) Ърин4 ципиально необходимо для Осуществления взрывной эмиссии электронов, Наиболее близким техническим решением к данному изобретению является лазерно-плазменный источник электронов, который содержит плоские катод и анод, лазер, луч которого сфокусирован на поверхности катода, а эмиттером электронов служит лазер" ная плазма-плазма, создаваемая на поверхности катода, на оси анодного отверстия, сфокусированным пучком излучения 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-плазменном источнике достигнуты пиковые значения анодного тока I- = 500 А при з напряжении Uö = 6 «10 В.

Катод помещен в специальную экранирующую камеру с отверстием, соосным с отверстием анода, Эта камера уменьшает ток прямого разряда через диодный промежуток, возникающий при его замыкании расширяющейся катодной плазмой.

Ъ

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 области отверстия, препятствует достижению малых значений ширины промежутка

5 катод-анод одновременно для всех то.чек эмиссионной поверхности, а следовательно и достижению более низких значений анодного напряжения при сохранении значений тока, Этот недостаток ограничивает применение известного лазерно-плазменного источника в физике электронно-атомных и электронно-ионных столкновений, экспериментах по взаимодействию элек-

15 тронных пучков с плазмой, технике поверхностного .нагрева металлов, Целью изобретения является уменьшение анодного напряжения при сохранении значений тока.

2р Указанная цель достигается благодаря тому, что в лазерно-плазмен" ном источнике электронов, содержащем плоские анод и катод, лазер, луч которого сфокусирован на поверх25 ности катода, анод выполнен в виде сетки и расположен перпендикулярно катоду, введен метаплический плоский экран; установленный на поверхности катода между точкой фокусировч0 ки лазерного луча и анодом параллельно последнему, при этом свободный край экрана снабжен козырьком со сторОны, протиВОполОжнОИ аноду, причем внешняя кромка козшрька лежит в плоскости, проходящей через

35 точку фокусировки лазерного луча параллельно аноду, I

На чертеже представлено предлагаемое устройство.

40 Лазерно-плазменный источник электронов содержит катод 1 анод 2, экран 3 с козырьком, на катодв рас" положена точка А фокусировки лазерного луча, д5 В изобретении благодаря взаимноперпендикулярному расположению ка-, тода и анода ось симметрии. разлета плазменного сгустка параллельна аноду, Это дает возможность путем вве50 дения в источник специального экрана с козырьком, кромка которого. расположена в плоскости, проходящей через точку фокусировки параллельно аноду, и используя известное свойство лазер55 ной плазмы (разлет ионов по радиальным направлениям) сформировать плоскую плазменную. эмиссионную поверхность, параллельную аноду. Образо-. вание такой поверхности в, сочетании

1102407 с использованием сетки в качестве анода позволяет уменьшить ширину диодного промежутка до десятых долей миллиметра (одновременно для всех участков эмиссионной поверхности), что приводит к увеличению пропускной способности промежутка, достижению более низких, по сравнению с прототипом, значений анодного напряжения при прежних значениях тока и, в ито- tp

re, к расширению функциональных возможностей источника, При воздействии сфокусированного импульсного лазерного луча на поверхность катода в точке фокусировки 15 образуется сгусток плазмы, расширяющийся симметрично относительно перпендикуляра к поверхности в этой точке. Ионы лазерной плазмы на расстояниях от точки фокусировки, превы-20 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 25 точки фокусировки часть расходящегося плазменного пучка. Остальная часть пучка (сгустка катодной плазмы) распространяется в телесном углу, ограниченном со стороны анода 30 плоскостью проходящей через точку А фокусировки и внешнюю кромку козырька, т.е. параллельной аноду., Таким образом, за пределами экрана 3 формируется плоская граничная поверхность расширяющегося плазменного сгустка, параллельная аноду и удаленная от него на расстояние d .равное расстоянию от анода до точ,ки А, Эта поверхность служит эмис- 4р сионной поверхностью катодной плазмы в предлагаемом лазерно-плазменном источнике электронов, Благодаря ее плоскостности расстояние Й может . быть малым, вплоть до десятых долей 4g миллиметра. При таких значениях d как следует из известной эависимось. зР г ти плотности тока j Ф 2,33 ° 10 Uä/d обеспечивается пропускная способность вакуумного диодного промежутка gp в десятки ампер на квадратный сантиметр уже при анодном напряжении U 1 кВ,.

Анод лазерно-плазменного источника электронов изготовлен из мелкоструктурной никелевой сетки с размером ячейки h = 30 мкм и прозрачностью 90 . Точка фокусировки лазерного луча на катоде — пластинке из алюминия расположена на расстоянии

d = 0,3 мм от плоскости анода, при этом выполняется обычное для электронных источников условие d» h.

Экран, изготовленный из танталовой фольги толщиной 0,1 мм имеет форму полукруга радиусом 4 мм с выступом (козырьком) по полуокружности высотой 0,1 мм. Экран примыкает по диаметру к катоду и изолирован от анода фторопластовой пленкой толщиной

0,1 мм. Плазма создается пучком излучения неодимового лазера с модулированной добротностью, сфокусированным на катоде в пятно диаметром

50 мкм. Энергия лазерного импульса составляет 0,2 Дж, длительность

45 нс. К электродам источника подключен накопительный конденсатор.

Ток электронов за анодной сеткой измеряется коллектором, При испытании источника анодное напряжение равно

1 кВ. В импульсе электронного тока, длительность около 300 нс достигается пиковое значение тока Х „=480 А.

Площадь поперечного сечения пучка на аноде составляет при этом 6 см

Плотность тока j „= 80 А/см, определяется пропускной способностью диодного промежутка, так как эмиссионная способность сгустка лазерной плазмы, расширившегося до размеров 2 см, превышает 100 А/см

Результат испытаний показывает, что предлагаемое изобретение позволяет снизить анодное напряжение, при котором ток достигает ? „ 500 А, 6 к — 1 кВ.

Лазерно-плазменный источник электронов может быть эффективно и спользован в атомной физике: в эксперимен,тах по электрон-атомным и электронионным столкновениям, в исследованиях по физике плазмы, связанных с взаимодействием электронов с плазмой, а также в технике поверхностного нагрева металлов.