SU1102474A1

SU1102474A1 - Ion gun

Info

Publication number: SU1102474A1
Application number: SU823522273A
Authority: SU
Inventors: В.М. Матвиенко
Original assignee: Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом институте им.С.М.Кирова
Priority date: 1982-12-13
Filing date: 1982-12-13
Publication date: 1985-11-30

Abstract

I.ИОННАЯ ПУШКА, содержаща катод, выполненный в виде полосковой линии, котора с одной стороны замкнута , ас другой подключена к источнику тока, и имеюща отверсти дл вывода ионного пучка и плоский анод, расположенный внутри катода и имеющий цилиндрические округлени на торцах и диэлектрические участки напротив отверстий в катоде, отличающа с тем, что, с целью увеличени коэффициента полезного действи и повышени однородности пучка ионов, между электродами полоскового катода со стороны подключени источника тока расположен металлический экран, выполнеиный в виде цодуцилиндра с диаметром, равным рассто нию между электродами полоскрвой линии, и имек ций электрический контакт с элeктpoдa вI. катода. kn 2. Пушка по. п.1, отличающа с тем, что, с целью повышени ппотности потока ускоренного пуч .ка ионов за счет его баллистической фокусировки, поверхности анода и катода выполнены в виде части коаксиальных цилиндрических поверхностей.I.ION GUN, containing a cathode made in the form of a strip line, which is closed on one side, AC is connected to the current source, and has openings for outputting the ion beam and a flat anode located inside the cathode and having cylindrical rounding at the ends and dielectric portions opposite the holes in the cathode, characterized in that, in order to increase the efficiency and increase the uniformity of the ion beam, between the electrodes of the strip cathode on the side of the current source connection is a met an allic screen, made in the form of a co-cylinder with a diameter equal to the distance between the electrodes of the polyscreen line, and the samples, is an electrical contact with the electrode in i. the cathode. kn 2. Cannon on. Claim 1, characterized in that, in order to increase the flow rate of the accelerated beam of ions due to its ballistic focusing, the anode and cathode surfaces are made as part of coaxial cylindrical surfaces.

Description

Изобретение относитс к области ускорительной техники и может быть использовано дл генерации сильното иых ионных пучков и создани мощных лазеров коротковолнового диапазона. Отсутствие отражающих зеркал, ма лый коэффициент усилени х на коро коволновых лазерных переходах (х 5t )и сильна завис мость коэффициента усилени от пара метров накачки требуют создани сил ноточных ионных пушек с высокой одн родностью ионного пучка и большой длиной накачки активной среды. Известна ионна пушка дл накачки лазеров, котора содержит размещенные в одном корпусе цилиндрические внешний анод и внутренний, с пр дольными прорез ми, катод, подключенный к дополнительному источнику тока. На внутренней поверхности ано напротив прорезей в катоде, расположены диэлектрические участки, вл ющиес источником ионов при повер ностном пробое диэлектрика. Внутри катода, на оси, размещена активна среда. Така иоина пушка позвол ет получать сход щийс в линейную область ионный пучок. Недостатками этой ионной пушки вл ютс низкий КПД и низка одноро ность ионного пучка вдоль оси устройства , что св зано с дрейфовой утечкой электронов в скрещенных эле рических и магнитных пол х из ано катодного зазора и срыву прикатод- ного электрического потока; вблизи кра анода. Срыв электронного потока на анод сопрововдаетс неоднородным накоплением электронов в анод-катодном зазоре вдоль оси устройства и вследствие этого неодноро ной генерации ионного пучка на оси. Наиболее близким техническим решеиием вл етс ионна пушка, состо ща из катода, выполненного в виде замкнутой с одной стороны полосковой линии к имеющего отверсти дл вывода ионного пучка, плоского анода , расположенного внутри катода и имеющего на своей поверхности диэлектрические .участки напротив отве тий в катоде, и дополнительного источника тока, подключенного к разомкнутым концам полоскового катода . Недостатками такой ионной пушки . вл ютс низкий КПД и неоднород42 ность генерации ионного пучка вдоль поверхности анода. Цель изобретени - увеличение коэффициента полезного действи , т.е. отношени ионного тока пушки к общему току анода, и повышение однородности пучка ионов. Цель достигаетс тем, что в ионной пушке, содержащей катод, выполненный в виде полосковой линии, котора с одной стороны замкнута, а с другой подключена к источнику тока, и имегадей отверсти дл вывода ионного пучка и плоский анод, расположенньш внутри катода и имеющий цилиндрнческие скруглени на торцах и диэлектрические участки напротив отверстий в катоде; между электродами полоскового катода со стороны подключени источника тока расположен металлический экран, выполненный в виде полуцилиндра с диаметром , равным рассто нию мелоду электродами полосковой линии, и имекиций электрический контакт с электродами катода. С целью повышени плотности потока ускоренного пучка ионов за счет его баллистической фокусировки поверхности анода и катода выполнены в виде части коаксиальных цилиндрических поверхностей. , , На фиг.1 и 2 изображена схема ионной пушки. Ионна пушка содержит внешний катод 1, выполненный в виде полосковой линии с отверсти ми 2 дл вьгоода ионного пучка и подключенный к .источнику 3 тока, внутренний плоский анод 4 с диэлектрическими участками 5 на его поверхности, расположенными напротив отверстий в катоде , и тонкий металлический экран 6,. имеющий электрический контакт с электродами полосковой линии и расположенный со стороны ввода. Эк- . ран в сечении выполн етс в виде полуокружности. Диаметр окрулсности равен рассто нию между электродами полосковой линии. Устройство работает следукнцим образом. При подключении источника 3 тока к катоду 1 ток, протекающий по полосковой линии, создает изолирующее магнитное поле в про.странстве между катодом 1 и анодом 4. Катод и анод выполнены массивными, иThe invention relates to the field of accelerator technology and can be used to generate strong ion beams and create high-power short-wave lasers. The absence of reflecting mirrors, a small gain at the core laser transitions (x 5t) and a strong dependence of the gain on the pump parameters require the creation of forces of note-ion guns with a high ionic beam uniformity and a large pumping length of the active medium. The known ion gun for pumping lasers, which contains cylindrical external anode and internal, with longitudinal slots, placed in the same housing, is a cathode connected to an additional current source. On the inner surface of the ano, opposite the slots in the cathode, are the dielectric sections that are the ion source during the breakdown of the dielectric. Inside the cathode, on the axis, the active medium is located. Such a gun yields a ion beam converging in a linear region. The disadvantages of this ion gun are low efficiency and low ion beam along the axis of the device, which is associated with electron drift leakage in crossed electric and magnetic fields from the cathode gap and disruption of the cathode electric flux; near the edge of the anode. Disruption of the electron flux to the anode is accompanied by non-uniform accumulation of electrons in the anode-cathode gap along the axis of the device and, as a result, non-uniform generation of the ion beam on the axis. The closest technical solution is an ion gun consisting of a cathode made in the form of a stripline closed on one side to have openings for outputting an ion beam, a flat anode located inside the cathode and having dielectric sections on its surface opposite the branches in the cathode. , and an additional current source connected to the open ends of the strip cathode. The disadvantages of such an ionic gun. the low efficiency and inhomogeneity of the ion beam generation along the anode surface are low. The purpose of the invention is to increase the efficiency, i.e. the ratio of the ion current of the gun to the total current of the anode, and an increase in the uniformity of the ion beam. The goal is achieved by the fact that in an ion gun containing a cathode made in the form of a strip line, which is closed on one side, and connected to a current source on the other, and has holes for outputting the ion beam and a flat anode, it is located inside the cathode. at the ends and dielectric areas opposite the holes in the cathode; Between the electrodes of the strip cathode, on the side of the current source connection, there is a metal screen made in the form of a half-cylinder with a diameter equal to the distance between the electrodes of the strip line and having electrical contact with the cathode electrodes. In order to increase the flux density of the accelerated ion beam due to its ballistic focusing, the surfaces of the anode and cathode are made as part of coaxial cylindrical surfaces. ,, Figures 1 and 2 depict the ion gun scheme. The ion gun contains an outer cathode 1 made in the form of a strip line with holes 2 for an ion beam and connected to a current source 3, an internal flat anode 4 with dielectric sections 5 on its surface opposite the holes in the cathode, and a thin metal screen 6 ,. having electrical contact with the electrodes of the strip line and located on the input side. Ek- wounds in cross section are made in the form of a semicircle. The diameter of the circle is equal to the distance between the electrodes of the strip line. The device works in the following way. When a current source 3 is connected to cathode 1, the current flowing through the strip line creates an insulating magnetic field in the space between cathode 1 and anode 4. The cathode and anode are massive, and

быстрое магнитное поле не проникает в электроды, чем достигаетс высокй параллельность силовых линий магнитного пол поверхност м электродов . Магнитный поток ограничен 5 только анод-катодным зазором, что . обеспечивает высокий коэффициент использовани энергии изолирующего . магнитного пол . При достижении максимума напр женности магнитного пол 10 на анод 4 подаетс высоковольтный импульс напр жени положительной пол рности. При этом на поверхности диэлектрических участков 5 генерируетс плотна плазма, служаща 15 источником ионов. Ионы, ускор сь в анод-катодном промежутке, проход т через отверсти 2 в катоде. Электрическое поле ионного пучка выт гивает холодные электроны из сте- 20 нок катода 1, нейтрализу ионный пучок,который может эффективно .. транспортироватьс на мишень. На внутренней поверхности катода 1, которым теперь вл ютс не только электроды полосковой линии, но и дополнительно введенный экран 6, за счет вз1 вной эмиссии образуетс слой электронов 7, дрейфующий в скрещенных электрическом поле ано- 30 да и магнитном поле изолирующего тока от .дополнительного источника. Слой электронов, дрейфующий вдоль плоского нижнего электрода полоскового катода, при подходе к :замкну- 35 тому концу полосковой линии, имекщему в поперечном. сечении вид полуокружности , попадает в цкливдрическое электрическое поле между анодом и катодом, совершает дрейф вдоль внут- 40 ренней поверхности закруглени и попадает на верхний электрод полоскового катода. Дрейфу дальше вдоль верхнего плоского электрода, электронный слой попадает в такое же ци- 45 индрическое электрическое поле межу анодом и экраном и. дрейфует в скрещенных пол х по внутренней поверхости экрана на нижний электрод по- оскового катода.-50the fast magnetic field does not penetrate the electrodes, thus achieving high parallelism of the magnetic field lines to the surfaces of the electrodes. The magnetic flux is limited to 5 only by the anode-cathode gap, what. provides a high utilization of insulating energy. magnetic field When the voltage reaches the maximum of the magnetic field 10, a high-voltage pulse of positive polarity is applied to the anode 4. At the same time, a dense plasma is generated on the surface of the dielectric sections 5, which serves as a source of ions. The ions, accelerated in the anode-cathode gap, pass through holes 2 in the cathode. The electric field of the ion beam draws cold electrons from the lines of cathode 1, neutralizing the ion beam, which can be efficiently transported to the target. On the inner surface of the cathode 1, which now are not only the electrodes of the strip line, but also the additionally introduced screen 6, a layer of electrons 7 is formed due to a sudden emission, drifting in the crossed electric field of the anode and the insulating current magnetic field. source. A layer of electrons drifting along the flat bottom electrode of a strip cathode, when approaching: the closed end of the strip line, which is transverse. In cross section, the semicircle view, enters the electric field between the anode and the cathode, drifts along the inner curvature surface and falls on the top electrode of the strip cathode. To drift further along the upper flat electrode, the electron layer enters the same cy- 45 electric field between the anode and the screen and. drifts in crossed fields along the inner surface of the screen onto the lower electrode of the posterior axis cathode. -50

Таким образом, траектори дрейфа электронов становитс замкнутой, ни на каком участке траектории не происодит локального накоплени электронов , слой дрейфующих электронов в 55 анод-катодном зазоре становитс равномерным . Ионный ток, снимаемый с плоской части анода, также становитс равномерным, электроны, вл сь полностью замагниченными, на анод не попадают, и по аноду протекает только ионный ток.Thus, the electron drift trajectory becomes closed, no local accumulation of electrons occurs in any part of the trajectory, the layer of drifting electrons in 55 anode-cathode gap becomes uniform. The ion current removed from the flat part of the anode also becomes uniform, the electrons, being completely magnetized, do not fall on the anode, and only the ion current flows through the anode.

Схема ионной пушки, служащей дл получени сход щегос на ось ионног пучка, показана на фиг.2. Конструктивное отличие данной ионной пушки от описанной выше заключаетс тольк в том, что поверхности анода и поло кового катода выполнены изогнутыми вдоль продольной оси, в виде части боковых поверхностей коаксиальных iцилиндрОБ. Работа ионной пушки,изображенной на фиг.2, не отличаетс от работы ионной пушки, с плоскими элекродами . Ионный пучок, генерируемь1й Ионной пушкой с цилиндрическими поверхност ми электродов , в силу эар довой нейтрализации после прохождени отверстий в катоде сходитс в узкую линейную область. Дл эффективной транспортировки ионного пучка в области между катодом и активной средой, где магнитное .поле вл етс поперечньм, зар дова нейтрализаци обеспечиваетс известными способами И может быть реализована с помощью диэлектрической поверхности, параллельной направлению распространени ионного пучка (дл нейтрализации электронами поверхностной плазмы ), или с помощь прозрачной дл магнитного пол лро- вод щей поверхности (нейтрализаци холодными электронаьи). Часть изолирунэдего тока дополнительного источника проходит по тонкому экрану . . ; , . ;: - . An ion gun circuit serving to obtain an ion beam converging on an axis is shown in FIG. 2. The structural difference between this ion gun and the one described above lies only in the fact that the surfaces of the anode and the half-fold cathode are curved along the longitudinal axis, as part of the lateral surfaces of the coaxial cylinders. The operation of the ion gun shown in Fig. 2 does not differ from the operation of the ion gun with flat electrodes. The ion beam generated by the ion gun with the cylindrical surfaces of the electrodes converges into a narrow linear region after passage through the holes in the cathode. In order to efficiently transport the ion beam in the region between the cathode and the active medium where the magnetic field is transverse, neutralization charge is provided by known methods. And can be realized with a dielectric surface parallel to the direction of propagation of the ion beam (for neutralizing electrons of the surface plasma), or with the aid of a transparent magnetic field of a conductive surface (neutralization by cold electrons). A portion of the isolating current of the auxiliary source passes through a thin screen. . ; , ;: -.

При длине верхнего электрода катода из , равной 100 см, толщине 0,8 см и радиусе с круглени на конце его 3,5 см, .при толпцше нихромового экрана 0,15 мм ртношение сопротивлений экрана и катода составл ет 180. Поэтому в момент подачи высоковольтного импульса на Шод ток, текущий по экрану, составл ет около 0,5/5 от тока, текущего по полосковому катоду.With a length of the upper cathode electrode of 100 cm, a thickness of 0.8 cm and a radius from round at the end of its 3.5 cm, at a thickness of 0.15 mm nichrome screen, the ratio of the resistances of the screen and cathode is 180. Therefore, at the time of submission the high-voltage pulse per Shod current flowing across the screen is about 0.5 / 5 of the current flowing through the strip cathode.

Дл накачки лазера ионным пучком используют или отражательные систе- №1 или более эффективные магнитоизолированные системы. : Но все известные устройства, способные накачать прот женную активную среду, отличаютс малым КПД. У наиболее эффективной ионной пушки, ЮЩ, илиTo pump the laser with an ion beam, either reflective systems No. 1 or more efficient magnetically insulated systems are used. : But all known devices capable of pumping a strong active medium are characterized by low efficiency. At the most effective ion gun, SUSH, or

отношение ионного тока к общему то|Ку анода ускорител , составл ет 23% в оптимальном режиме, причем распределение плотностиионного тока вдоль оси активной среды неравномерно и вл. етс неустранимым недостатком базового объекта, св занным с незамкнутым дрейфом электронного сло . Выполнение ионной пушки с полосковым катодом, имеющим металлический экран со cTopoHbt ввода внешнего иэолирукнцего тока, выгодно отличает данную ионную пушку от базового объекта: The ratio of the ion current to the total accelerator | ku anode is 23% in the optimal mode, and the distribution of the density of the ion current along the axis of the active medium is uneven and ow. There is an unrecoverable drawback of the base object associated with the unclosed electron layer drift. The execution of an ion gun with a strip cathode having a metal screen with a cTopoHbt input of external optical current, distinguishes this ion gun from the base object:

1) Позвол ет проводить накачку активной среды с высокой однородностью при длине накачки до.иескольких метров, а длина пушки ограничиваетс только соображени ми целе- со бразности. Область активной среды обычно на содитс вне вакуумного объема и разделена с ионной пушкой тонкой пленкой, лежащей на металлической рещетке за которую не проникает быстронарастающее магниное поле. Ионы пересекают при своем движении сначала магнитный поток в зазоре анод-катод с одной ориентацией , а затем противоположно ориен тированный поток на участке катодкорпус , и при симметричном полрже-г НИИ анода внутри катода этот суммарный магнитный поток равен йулю. И по сравнению с базовым объектом, где имеетс осевой сно,с ионов из-за того, что пересекаетс только, маг- нитное поле анод-катодного зазора одной ориентации, в данной пушке ионы не испытывают никакого сноса при движении к оси, и достижима степень фокусировки определ етс только температурой анодной плазмы . . 1) Allows the pumping of an active medium with high uniformity with a pumping length of up to several meters, and the length of the gun is limited only by considerations of purpose. The area of the active medium is usually on the outside of the vacuum volume and is separated with an ion gun by a thin film lying on a metal grate beyond which the fast-growing magnesium field does not penetrate. When they move, the ions firstly cross the magnetic flux in the anode – cathode gap with one orientation, and then the oppositely oriented flux at the cathode body, and with a symmetric polaroid anode inside the cathode, this total magnetic flux is equal to yule. And compared with the base object, where there is axially clear, from ions due to the fact that only the magnetic field of the anode-cathode gap of the same orientation intersects, the ions in this gun do not drift as they move to the axis, and the degree of focusing is determined only by the temperature of the anode plasma. .

2 ) КЦЦ генерации ионного пучка в данном устройстве достигае.т в приципе 100%, поскольку работе с В(2-3)Вкр . где бкр- критическое значение величины магнитйого пол , необходимого дл магнитной изол . ции анод-катодного промежутка, элекроны не достигают анода, и анод-катодный зазор загружен только ионным током. В реальной пушке, даже имеющей замкнутую траекторию дрейфа катод2) KTZT generation of an ion beam in this device is achieved in principle 100%, since working with B (2-3) Vkr. where bcr is the critical value of the magnetic field required for magnetic isol. the anode-cathode gap, the electrons do not reach the anode, and the anode-cathode gap is loaded only with an ion current. In a real gun, even with a closed trajectory of the drift cathode

цого сло , имеетс путь дл попадани электронов на анод вдоль силовых линий магнитного пол ., соедин юш;их корпус и анод, причем эти потери значительно уменьшаютс с уменьшением глубины проникновени быстрого пол в металл корпуса и анода. Правильное конструирование пушки с целью увеличени длины линий магнитного пол , соедин юпщх корпус и анод, и уменьшени напр женности электрического пол в точках пересечени магнитных линий с поверхностью корпуса позволит достичь КПД около 95-98%There is a path for electrons to reach the anode along the magnetic field lines, connecting their casing and the anode, and these losses are significantly reduced with a decrease in the depth of penetration of the fast field into the metal of the casing and anode. Proper design of the gun to increase the length of the magnetic field lines, connecting the body and the anode, and reduce the intensity of the electric field at the points of intersection of the magnetic lines with the surface of the body will allow an efficiency of about 95-98%

3)По сравнению с базовым объектом , у которого длительность импульса ионного тока составл ет сотни наносекунд, что объсн етс уменьшением зффе1стивного зазора анод-слой электронов вблизи того конца анода, где происходит срыв электронного ,по- тока, и быстрым перемыканием этого зазора анодной плазмой, в данном устройстве возможна генераци ионсных пупков и микросекундных длительностей , .причем длительность определ етс скоростью перемыкани анод-катодного зазора плазмой анода, котора дл магнито-изоли- рованных систем составл ет 0,30 ,5 см/МКС, ,3) Compared to the base object, in which the ion current pulse width is hundreds of nanoseconds, which is due to a decrease in the anode-electron layer's effective gap near the end of the anode, where the electron is disrupted, and the anode plasma quickly bridges this gap In this device, the generation of ionic navels and microsecond durations is possible. Moreover, the duration is determined by the anode – cathode gap bridging speed by the anode plasma, which for magnetically isolated systems is 0.30 , 5 cm / ISS,

4)По сравнению с базовым объектом , в котором магнитное поле созд етс во всем объеме ионной пушки и коэффициент полезного использований энергии магнитного пол состав . ет 5-8%, в предлагаемой ионной пушке, где магнитный поток сосредоточен в анод-катодной области и . ограничен участком транспортиров - ки, этот коэффициент составл ет величину около 50%, и дл ее работы требуютс значительно менее энерюемкие накопители. Использование дп накачки лазера данной ионной пушки позволит реализовать накачку лазерных переходов, лежащих4) Compared with the base object, in which a magnetic field is created in the entire volume of the ion gun and the useful energy ratio of the magnetic field composition. em 5-8%, in the proposed ion gun, where the magnetic flux is concentrated in the anode-cathode region and. limited by the transport section, this ratio is about 50%, and its operation requires significantly less energy-intensive drives. The use of dp pumping the laser of this ion gun will allow pumping of laser transitions lying

в коротковолновой области, вплоть до рентгеновского диапазона с выходом лазерного излучени в дес ткисотни Джоулей при соответствующей энергетике сильноточного ускорител .in the short-wavelength region, up to the X-ray range, with an output of laser radiation at ten joules at the appropriate energy of a high-current accelerator.

Ось фокусирабка ftOHHbiu пучок Г/ Ток катодаAxis focusupube ftOHHbiu bundle G / Cathode current

Фиг. 2FIG. 2

Claims

'l. ION GUN containing a cathode made in the form of a strip line, which is closed on one side and connected to a current source on the other', and having holes for the extraction of the ion beam and a flat anode located inside the cathode and having cylindrical fillets at the ends and dielectric sections opposite the holes in the cathode, characterized in that, in order to increase the efficiency and increase the uniformity of the ion beam, a meta electrode is located between the electrodes of the strip cathode on the side of the current source connection -crystal display configured in the form of a half-cylinder with a diameter equal to * Distance between the strip line electrodes and having electrical contact with the electrode "." cathode.

2. The gun according to π.1, characterized in that, in order to increase the flux density of the accelerated ion beam due to its ballistic focusing, the surfaces of the anode and cathode are made in the form of part of coaxial cylindrical surfaces.