Ионная пушка

 

„,SU„„1419494

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СоаЮЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

А1 (51) 5 Н 05 Н 5/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCHOMY СВИДЕТЕВЬСТВУ

1 т

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР ГЮ ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (46) 30.08.92. Бюл. Р 32 (21) 4069715/21 (22) 22.05.86 (71) Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом институте им. С.М. Кирова (72) А.И. Арбузов, В.М. Быстрицкий, А.В. Петров и В.Г. Толмачева (53) 621.384.6(088.8) (56) Быстрицкий В.М., Диденко А.Н.

Сильноточные ионные пучки. УФН, т. 13с, в. 1, 1980, с. 91.

Быстрицкий В.М., Диденко А,Н. Мощные ионные пучки. - Энергоатомиэдат, 1984, с. 20.

Авторское свидетельство СССР

It 1314932, кл. Н 05 Н 5/00, 1985. (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) 6, полый цилиндр (ПЦ) 7 диаметром d >, пленку 8 с проводящим покрытием„прикрепленную к ПЦ 7 на расстоянии 105 „+ 4,1/2 от удаленного ог катода 3 торца анода. Диаметр С 6 равен d, а ее длина 1 удовлетворяет выражению

10 c „ 3 4 10 (d .N), где и - число витков С 6. Ионная пушка имеет увеличенные энергию и мощность ионно о пучка. 1 ил.! 419494 2

Иэобретени» относится к ускорительной технике и может быть применено для генера 1ии мощных потоков ионов в широком диапазоне „атомных масс.

Целью изобретения является увеличение энергии и мощности ионного пуч-, (10 (d N)

10 где N - число витков спирали 6.

Кроме этого, на чертеже обозначены: плазменный столб 9 (плазма, создаваемая источником 4 плазмы), плазма 10, образуклцаяся при раэогреВе З5 пленки С, траектории 11 электронов, вирту;льный,катод 12, ионный пучок t3 анрдод ржатель 14. устройство работает следующим образом. 40

Включают магнитную систему 2, создакзцую аксиальное ведущее магнитное поле ° В расчетный момент времени, когда поле близко к максимальному, включают истсчник 4 плазмы, и прост- 45 ранство между катодом 3, сеткой 5 и проводящей пленкой 8 заполняется плазмой. Спустя расчетное время, когда плотность этой плазмы достигнет необходимой величины, например (1-2)

«10 см, на анодньй цилиндр 7, спио -i3 раль 6 и сетку 5 от источника 1 высоковольтных импульсов подают высоковольтный нано- или микросекундный импульс 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.

t0

Пушка содержит источник 1 высоковольтных импульсов, выполненный на формирующей линии электрической длиной C „, магнитную систему 2, противостоящие катод 3 с источником 4 плаз- 5 мы и анод, включающий сетку 5 с отверстием, спираль 6, попый цилиндр 7 диаметром d< пленку 8 с проводящим покрытием. Пленка 8 прикреплена к цилиндру 7 на расстоянии 10 „+ — от удаленного от катода 3 торца анода.

Один конец спирали 6 соединен с сеткой 5, а другой - с источником 1 и торцом цилиндра 7, на котором укреп- 25 лена пленка 8. диаметр спирали 6 ðàнен d>, а ее длина В удовлетворяет выражению столб 9 — пленка 8 с проводящим слоем — анододержатель 14 потечет ток f который замыкается на источник 1 высоковольтных импульсов. Так как индуктивность этой цепи конечна, то ток

I будет нарастать во времейи н до тех пор, пока его значение не превысит значения критического тока Ig для плазменного столба 9 р е S Че где п — плотность плаэмы;

S — 1 оперечная площадь плазменного столба; л

Ч - тепловая скорость электрое нов плазменного столба 9 (между катодом 3 и сеткой 5 нет разности потенциалов) .

При превьипении током цепи I критического значения I „ вблизи катода

3 образуется разрыв плазмы, так наэы ваемой двойной слой с падением на нем потенциала. В двойном слое реализуется сильноточный режим 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 12. При этом происходит быстрое накопление осцкплирующих электронов траектории 11, которые нейтрализуют заряд ионов„ уходящих иэ плаэменного столба 9 в сторону катода 3. Вследствие 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 двигаться по ларморовским окружностям, так что огибающая поверхность электронного пучка оказывается по диаметру несколько большей, чем диаметр отверстия в сетке 5.

В результате часть электронного тока попдающая на сетку (фактически это ток потерь 1я), протекает по спирали 6.

Ток потерь (I ) обычно составляи ет 5-103 от полного тока электронов.

Э 141949

Для энергий электронов в диапазоне

0,5-1 МэВ, ведущих магнитньгх пплей (10 — 10 ) Гс и средних углов рас3 сеяния с 10-20 срелние ларморовские радиусы для рассеянных на эти углы электронов лежат и диапазоне десятых долей сантиметра . А это составляет по площади и с учетом высокой прозрачности сетки (807) - 10X от обыч- 10 но используемых площадей электронного пучка в диапазоне (10 — 10 ) см .

Таким образом, н процессе нарастания полного тока ускорителя н индуктивности 1. „ спирали 6 накапливается

< c<« I <« энергия 2, обуслонленная частью тока (I„) протекающей по ней, а н диоде реализуется сильноточный режим.

Отбор большого ионного тока приводит к быстрой эрозии плазмы, т.е. расширению двойного слоя со скоростью, до 7 стигающей 1О м/с. Спустя единицыдесятки наносекунд, граница двойного слоя достигает сетки 5, проходит ее 25 плоскость и начинает расширяться в виде вогнутой поверхности внутрь пространства, ограниченного спиралью 6.

Вследствие экранировки электрического поля ускоряющего зазора сеткой 5 gp в области эа сеткой оно быстро спа" дает до нуля (на глубине порядка радиуса отверстия), и ионный поток также начинает быстро спадать. При этом соответственно начинает спадать и

35 часть тока пушки, протекающего по

dIn спирали 6. Этот спад — вызывает redt нерацию вихревой ЭДС = -1., —, приложенной на участке поверхность ппаэ40 мы - плоскость сетки, направленной встречно движению ионов. Эта ЭДС увеличивает скорость спада ионгoro тока, что, в свою очередь, приводит к ее возрастанию и т.д. Таким образом, 45 процесс характеризуется положительной обратной связью и приводит к лавинообразному обрыву полного тока. Длительность этого процесса определяется временем достижения тормозящей вихреdI n вой ЭДС (-L „) значения, равного

<1 г доле ускоряющего потенциала, превышающего внутрь сетки 5, V, примеру, для средних з««в",внии dI/ в10 Л/с и 1.,„ 1««0 нГн вихревая ЭДС составляет (1 )0-200) кВ, <ля меганольтног о див«и««<»«,«иапряженич на

4 4 аподе ионной пушки это со< т:«ваяет

-(О, 1-0,2) 4д . Рас<«рты пок;.эь ва«т, что эквипотенциаль с потенциалом, втлича«<шимся от q4 íà ".начение а < „(О, t-О,2)у4 провисает внутрь отверстия радиусом R на значение (0,1-О, 2) R, т. е . на доли са нти метров.

Следовательно, как только граница плазмы отойдет на это расстояние от етки, вихревая тормозящая ЭДС будет уже полностью компенсировать ускоряющую электростатическую разность потенциалов и это обеспечивает отсечку ионного тока. Расстояние в доли сантйметра плазма проходит эа время, меньшее 10 нс при иэнестной скорости

10 см/с ° В известной ионной пушке продвижение плазмы на глубину радиуса, т.е. большую, чем ь предлагаемой пушке, занимало соответственно большее время (20 нс). Таким образом,величина с1Т/dt при работе на прежних уровнях возрастает примерно н 1,5-2,5 раза и соответственно возрастает вихревая ЭДС, L

Здесь L - индуктивность цепи пушки.

Длину спирали 6 выбирают иэ следукн1их соображений. Во-первых, она должна быть такой, чтобы 3 ) V „„ i „, т.е. длина должна бьггь больше расстояния, проходимого за время импульса плазмой, образованной гри рвэогрене пленки 8 осциллирующими электронами. Отсюда E 7,, 1О (м/с) <.. с.

Во-вторых, длина связана с требуемой и|дуктинностью, которая должсПП на быть такой, чтобы 1 „о; д Ч с<«<1 г где л Ч- пронисаиие ускоряющего потенциала внутрь отверстия в сеч-1 ке 5. Выбирают 4Ч на уровне ЛЧ(!О

16 ) V)«, где ((,- потенциал анода.

Взяв = 10 В, получают dg (106

-10 ) В. Для обычных параметров плаэмонаполненных отражательньж систем скорость обрыва полного тока пушки

dI «ь — < 10 А/с. Выбирая для тока про»

dt

Ф у текакщего по спирали, "103 для Ь получают диапазон L "- (10 -10 ) Гн, учитывая, что индуктивность спирали роv N S 4<ц10 1 N Ta

Р Х 4

К 10

Х где p = 4Г(10 Гн/м;

1419494

d

- число витков спирали, — поперечное сечение спирали 2

- дна метр с пир али;

- длина спирали, получают для верхнего предела ь

Диаметр катода и отверстия в анодной сетке, мм 30

Высота анодного цилиндря MM 40

Магнитное поле, кГс 5

Длина спирали, см 10 О, fd N2, (см).

Таким образом, по сравнению с известной пушкой в предлагаемой ионной пушке увеличены энергия и мощность

55 ионного пучка.

Таким образом, длина спирали должна лежать в диапазоне

10 ".„« Е (); 0,1(dN)*, где d - диаметр спирали (d d )3

И - числ о внтк ов .

Ко времени резкого обрыва тока и генерации вихревой ЭДС граница плазмы f0, образованной в результате р(зогрева пленки 8 электронным пучком и распространяющейся внутри анодного цилиндра 7, подойдет к его торцу с1 а на расстояние < —, как и в известной пушке, здесь d4- диаметр цилиндра 7. Из этой плазмы под действием суммарного ускоряющего напряжения (анод - катод 12) вихревой ЭДС в сторону катода 12 начнут вытягиваться ионы, формирующие ионный пучок 13.

Соответственно с этим возрастет энергия ионного пучка, его ток (зависящий от энергии по известному за- . кону Чайльд-Ленгмюра) Т «gA умень1(2

4к шится «гс. длительность на отрезок времени, равный длительности низковол -тной стадии, а такыре возрастет его мощность W („„ I

Пример. Напряжение генератора высоковольтных импульсов (lg ), кВ,400.

z Ф

Мощность на согласованную нагрузку, Ът 2 10

Импеданс ускорителя, Ом 7

Длительность импульса, ис 80

И иду к тип иост ь це(п» а но" да, нГн 200

Плотность азотной плазHb1 в плазменном источнике, см (2-3) 102

Толщина анодной пл еики, мкм (4-10)

Длина а кодно-катод ного (A-К) за э ора, мм 10

Диаметр анодного цилиндра, мм

В

При срабатывании ускорителя и плазменной пушки формирование двойного слоя у катода начинается при катодном токе на уровне 2-3 кА для заданной плотиссти плазмы. Благодаря накоплению осциллирующих потоков электfS ронов триод переходит в ниэкоимпедансный режим на уровне полного тока (50-40 кА), из которых около 1/20 приходится на ионный ток азота. Это соответствует 7-8 осципляциям элект 0 ронон, согласно формуле — 2- и (ш /m ) у/2 . (%» 1)

Е 1

Р

1 где q — среднее число осцилляций.

При плотности плазмы и (2-3) 10 см, среднем токе ионов 2-2,5 кА, средней скорости 3 1О см/с зазор

d 10 мм рассосется в течение 30 нс.

Продвижение в глубь анода плазменной границы на расстоянии 0,1К, т.е.

З0 на 1,5 мм, потребует в среднеи 5 нс.

Соответствующая вихревая ЭДС на спаде тока

dI -1 2 10 с1t

Полное напряжение на ускоряющем зазоре: L — + p = 800 + 400 = 1200 кВ.

dI

dt Л=

40 Соответственно амплитуда тока ионного пучка, вьггягиваемого в сторону като6 -бм да 12, возрастает в -()

Ч, 1200 3(2

45 (— ) 5 раз (по сравнению с на400 пряжением гЕнератора). Это приводит к увеличению максимальной мощности ионного пучка в 5-6 pas.

50 (2 кф10нВт

Формула изобретения

Ионная пушка, содержащая источник выс оховол ьтиых импул ьсов, выполнен Я

1О т(, < 3 t 0 (d„1(1) > где М вЂ” число витков спирал

Составитель Н. Катинова

Техред J).Олийнык Корректор В. Гирняк (Редактор Т. Иванова

Заказ 3475

Тир алс. Подписное

ВНИИПИ Государственного коми.ета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Иосква, 3-35, Раушская наб. ° л. 4/5

Проиэводственно-полиграфическое предприятие, r. Уагород, ул. Проектная, 4 ный на формирук(«<е« линии электрической длиной Г„(с), магнитную систему, противостоя«в<е катод с источником плаэмы и анод, вклк< <ающий сетку с

5 отверстием, полый ии<инлр диаметром

d < (м), пленку с проводящим покрытием, прикрепленную к цилиндру на pacdp, стоянии 1О "L„+ — от удаленного от

<(О катода торца анода, о т л и ч а ю щ а" я с я тем, что, с целью увеличения (<<(ерг<<<< и мо(!<<(((. тн но<<ног\(<1) ((<с<< < в;<в(ле не с <у с еткой и ц<с<ивлром уста<<о<(пе<<;< спираль, оди(«с((<<ец «ото- рой соединен с сеткс й, в другой

С HCтОЧ><ИКOÌ ВЫСОКОВ(."IhTÍh<Õ ИМПУЛЬсов и торцом цилиндра, на котором укреплена пленка, при этом диаметр .спирали равен d<, а ее длина 3 (см) удовлетворяет вьра<кению