Устройство для получения пучка ионов

 

Изобретение относится к области ускорительной техники и может быть использовано для получения мощных, высокооднородных пучков ленточной геометрии. Устройство состоит из высоковольтного генератора импульсов, корпуса, в котором расположен магнитоизолированный диод. Электроды диода - цилиндрические с направляющими, имеющими рейстрековую геометрию. Анод выполнен массивным и симметрично соединен с высоковольтным генератором. Анод на одной из плоских сторон имеет диэлектрическое покрытие. Он симметрично вложен в катод, который состоит из двух прозрачных для магнитного поля одинаковых замкнутых частей, разнесенных в аксиальном направлении и образующих между собой напротив диэлектрического покрытия на аноде зазор. Внутри частей катода установлены катушки магнитного поля. Части катода имеют электрический контакт между собой, и каждая симметрично соединена с корпусом. Симметричное подключение анода и частей катода в токовую цепь генератора устраняет неоднородности электрического и магнитного полей в области генерации ионного пучка и тем самым повышает КПД генерации ионного пучка и его однородность. 2 ил.

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для получения мощных ионных пучков ленточной геометрии.

Известно устройство, используемое для генерации мощного пучка ионов (J. Maenchen, L. Wiley, S.Humphries, Jr.E.Peleg, R.N.Sudan and D.A.Hammer. Magnetic focusing of intense ion beams/Phys. Fluids, vol.22, N 3, March 1979, p. 555-565). Устройство состоит из высоковольтного генератора импульсов, корпуса, в котором расположен магнитоизолированный диод, электроды которого - внутренний анод и наружный катод - выполнены в концентрической рейстрековой геометрии. Катод разомкнут на одном из криволинейных участков рейстрека и подключен к дополнительному источнику тока. На поверхности плоской части анода имеются диэлектрические участки, напротив которых в катоде сделаны прорези. Анод одним торцом подключен к высоковольтному генератору импульсов.

Недостатками этого устройства являются низкий КПД генерации ионного пучка, обусловленный неоднородностью электрического и магнитного полей в ускоряющем зазоре, низкие эффективность использования анодной поверхности в области отбора ионного пучка и надежность устройства.

Известно также устройство для генерации ионных пучков, наиболее близкое к предлагаемому ниже, которое мы выбираем за прототип (авторское свидетельство N 1275795, "Ионная пушка"). Это устройство состоит из высоковольтного генератора импульсов, дополнительного источника тока, корпуса, в котором расположены наружный катод и внутренний цилиндрический с направляющей, имеющей геометрию рейстрека, анод. Анод непрозрачен для магнитного поля и имеет на одной из плоских сторон диэлектрические вставки (покрытие). Катод выполнен в виде плоского разомкнутого витка, на одной из его плоских частей имеются прорези, расположенные напротив диэлектрических вставок на аноде. Катодный виток разомкнутыми концами подключен к дополнительному источнику тока и через равные отрезки по его длине соединен с корпусом полупроводниковыми диодами таким образом, что аноды диодов подключены к катоду, а катоды диодов - к корпусу. Внутри катодного витка со стороны подключения дополнительного источника тока и симметрично аноду с другой его стороны установлены электростатические проводящие цилиндрические экраны таким образом, чтобы анод-катодный зазор был везде одинаков. То есть, катод и анод образуют систему симметрично вложенных друг в друга цилиндров - концентрическую рейстрековую геометрию.

В этом устройстве по сравнению с предыдущим устранена лишь часть причин, приводящих к неоднородному дрейфу и накоплению электронов в ускоряющем зазоре. Наличие дополнительных электростатических экранов устраняет неоднородность электрического поля со стороны разрыва катода. Введение же полупроводниковых диодов приводит к снижению индуктивного падения напряжения на катодном витке только на стадии роста тока при положительном значении L·dI/dt. На стадии спада тока при отрицательном значении L·dI/dt полупроводниковые диоды запираются, и неоднородное распределение напряжения и соответственно электрического поля по длине ускоряющего зазора сохраняется. Сохраняется также неоднородность электрического и магнитного полей, обусловленная наличием прорезей в катоде. Вынужденное использование дискретных участков диэлектрика (расположенных напротив прорезей в катоде) снижает эффективность использования анодной поверхности в области отбора ионного пучка.

В то же время в данном устройстве возникают новые причины, приводящие к неоднородности магнитного поля в ускоряющем зазоре. Токи утечки по экранам, имеющим конечное сопротивление, как при создании изолирующего продольного магнитного поля, так и во время импульса, а также дискретный характер подключения полупроводниковых диодов к катодному витку приводят к сложной структуре растекающегося тока и магнитного поля.

Кроме того, наличие тонких дополнительных экранов и большого количества полупроводниковых диодов приводит к усложнению конструкции и снижению надежности в условиях работы сильноточных устройств. Таким образом, стоит задача создания источника пучков ионов с высокой однородностью, высоким КПД, обладающего достаточной надежностью.

Поставленная задача решается следующим образом. В устройстве для получения пучка ионов, содержащем, как и прототип, корпус, в котором размещены цилиндрические с направляющими, имеющими рейстрековую геометрию, наружный катод и симметрично вложенный в него непрозрачный для магнитного поля с диэлектрическим покрытием анод, подключенный к высоковольтному генератору импульсов, в отличие от прототипа анод обоими торцами симметрично подключен к высоковольтному генератору импульсов, катод выполнен прозрачным для магнитного поля и состоит из двух одинаковых, разнесенных в аксиальном направлении и образующих напротив диэлектрического покрытия на аноде зазор замкнутых частей, внутри каждой из которых помещены катушки магнитного поля, причем части катода имеют электрический контакт между собой и каждая симметрично соединена с корпусом.

Принцип действия устройства поясняется нижеследующим текстом заявки и иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 изображен вид внутренней части устройства; на фиг. 2 приведено схематическое изображение этого устройства (сечение анода и катода) и его электрических соединений.

На фигурах обозначено: 1 - высоковольтный генератор импульсов, расположен снаружи корпуса 2, внутри которого установлены цилиндрические с направляющими, имеющими рейстрековую геометрию, анод 3 и катод 4. Анод 3 непрозрачен для магнитного поля и вложен симметрично в катод 4, который состоит из двух одинаковых, разнесенных в аксиальном направлении замкнутых частей, установленных параллельно друг другу таким образом, чтобы зазор, образованный между ними, был расположен напротив диэлектрического покрытия 6 на аноде 3. Части катода 4 прозрачны для магнитного поля (например, нержавеющая сталь толщиной ≈0,5-1 мм) и одновременно являются экранами для расположенных внутри них катушек магнитного поля 5. Части катода 4 на криволинейных участках электрически (и механически) соединены между собой металлическими шпильками 7. Прямолинейные участки обеих частей катода 4 соединены симметрично с корпусом 2 проводящими пластинами 8. 9 - анододержатель, с помощью которого анод 3 обоими торцами соединен с высоковольтным генератором импульсов 1. 10 - анодная плазма, 11 - выведенный ионный пучок.

Устройство работает следующим образом. При включении катушек 5 создается импульсное продольное магнитное поле, проникающее через прозрачные для него обе части катода 4, которые одновременно являются экранами для катушек. Экраны защищают катушки от рассеянных потоков заряженных частиц и высокого напряжения. В ускоряющем зазоре магнитное поле формируется массивным анодом 3. Этим достигается высокая параллельность магнитных силовых линий поверхности анода 3. В максимуме магнитного поля на анод 3 подается напряжение от высоковольтного генератора импульсов 1, и на поверхности диэлектрического покрытия 6 образуется плотная плазма 10, являющаяся источником ионов 11. Под действием электрического поля на катоде 4 образуется плотная взрывоэмиссионная плазма, служащая источником электронов.

В кольцевом зазоре функцию катода выполняет слой катодной плазмы и замагниченных электронов, находящихся на магнитной поверхности, связанной с кромками обеих частей катода. Эквипотенциальность частей катода на время формирования слоя на фронте импульса ускоряющего напряжения задается их электрическим соединением между собой на криволинейных участках вне области вывода пучка 11. Ускоренные ионы 11 выводятся через геометрически прозрачный кольцевой зазор между частями катода 4 для дальнейшего использования.

Образующиеся на частях катода электроны дрейфуют в однородных, скрещенных электрическом и магнитном полях вокруг анода 3, заполняя близлежащие к катоду 4 магнитные поверхности. Симметричное включение анода 3 и катода 4 с двух сторон в токовую цепь генератора высоковольтных импульсов 1 приводит к соответствующему растеканию и делению тока диода. Под действием скрещенных электрического и собственного магнитного поля тока диода электроны дрейфуют к медианной плоскости диода, обозначающей начало растекания тока, в область сильного продольного магнитного поля, препятствующего их попаданию на анод 3. Таким образом, суперпозиция дрейфовых движений электронов приводит к равномерному заполнению последними магнитных поверхностей. Отсутствие одностороннего сноса электронов и накопления пространственного заряда как в ускоряющем зазоре, так и на краях диода в области слабого изолирующего магнитного поля, ведущих к срыву электронов на анод 3, позволяет повысить КПД генерации устройства и однородность сформированного ионного пучка 11 в силу соответствующей структуры электронного потока.

То есть, по сравнению с прототипом предлагаемое устройство упрощает конструкцию, так как в нем отсутствуют дополнительные элементы в виде экранов, полупроводниковых диодов, и повышает надежность, связанную с отказами полупроводниковых диодов в условиях работы сильноточных ускорителей.

Формула изобретения

Устройство для получения пучка ионов, содержащее корпус, в котором размещены цилиндрические с направляющими, имеющими рейстрековую геометрию, наружный катод и симметрично вложенный в него не прозрачный для магнитного поля с диэлектрическим покрытием анод, подключенный к высоковольтному генератору импульсов, отличающееся тем, что анод обоими торцами симметрично подключен к высоковольтному генератору импульсов, катод выполнен прозрачным для магнитного поля и состоит из двух, разнесенных в аксиальном направлении и образующих напротив диэлектрического покрытия на аноде зазор замкнутых частей, внутри каждой из которых помещены катушки магнитного поля, причем части катода имеют между собой электрический контакт и каждая симметрично соединена с корпусом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2