RU2119208C1

RU2119208C1 - Gear forming beam of ions

Info

Publication number: RU2119208C1
Application number: RU97100582A
Authority: RU
Inventors: А.В. Петров; В.Б. Карпов; Н.М. Полковникова; В.Г. Толмачева
Original assignee: Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом университете
Priority date: 1997-01-14
Filing date: 1997-01-14
Publication date: 1998-09-20

Abstract

FIELD: acceleration equipment, formation of high-power highly homogeneous beams of band geometry. SUBSTANCE: gear incorporates high-voltage pulse generator and body housing magnetically insulated diode. Diode has cylindrical electrodes with guides having race track geometry. Anode is solid and is connected in symmetry with high-voltage generator. Anode has dielectric coat on one of flat sides. It is symmetrically placed into cathode composed of two identical closed parts transparent for magnetic field, spread axially and forming gap opposite to dielectric coat on anode. Coils of magnetic field are positioned inside parts of cathode. Parts of cathode have electric contact and each is joined to body in symmetry. Symmetric connection of anode and parts of cathode in current circuit of generator corrects inhomogeneities of electric and magnetic fields in region of generation of ion beam and by this raises efficiency of generation of beam of ions and its homogeneity. EFFECT: raised efficiency of generation of beams of ions and its homogeneity. 2 dwg

Description

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для получения мощных ионных пучков ленточной геометрии. The invention relates to accelerator technology and can be used to produce powerful ion beams of tape geometry.

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. A device is known that is used to generate a powerful ion beam (J. Maenchen, L. Wiley, S. Humphries, Jr. E. Peleg, RN Sudan and DA Hammer. Magnetic focusing of intense ion beams / Phys. Fluids, vol. 22, N 3, March 1979, p. 555-565). The device consists of a high-voltage pulse generator, a housing in which a magnetically insulated diode is located, the electrodes of which — the internal anode and the external cathode — are made in concentric raster geometry. The cathode is open on one of the curved sections of the raster track and connected to an additional current source. On the surface of the flat part of the anode there are dielectric sections opposite which slots are made in the cathode. The anode is connected at one end to a high-voltage pulse generator.

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. The disadvantages of this device are the low efficiency of the generation of the ion beam, due to the heterogeneity of the electric and magnetic fields in the accelerating gap, the low efficiency of using the anode surface in the field of selection of the ion beam and the reliability of the device.

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. Also known is a device for generating ion beams, which is closest to the one proposed below, which we choose for the prototype (copyright certificate N 1275795, "Ion cannon"). This device consists of a high-voltage pulse generator, an additional current source, a housing in which the outer cathode and inner cylindrical with a guide having the geometry of the raster track, the anode are located. The anode is opaque to the magnetic field and has dielectric inserts (coating) on one of the flat sides. The cathode is made in the form of a flat open coil, on one of its flat parts there are slots located opposite the dielectric inserts on the anode. The cathode coil with open ends is connected to an additional current source and, through equal lengths along its length, is connected to the casing by semiconductor diodes so that the anode of the diode is connected to the cathode and the cathode of the diode is connected to the casing. Inside the cathode coil, on the connection side of the additional current source and symmetrically to the anode on its other side, electrostatic conductive cylindrical screens are installed so that the anode-cathode gap is the same everywhere. That is, the cathode and anode form a system of cylinders symmetrically nested in each other - a concentric raster track geometry.

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. In this device, compared to the previous one, only a part of the reasons that lead to inhomogeneous drift and accumulation of electrons in the accelerating gap is eliminated. The presence of additional electrostatic screens eliminates the heterogeneity of the electric field from the rupture of the cathode. The introduction of semiconductor diodes leads to a decrease in the inductive voltage drop across the cathode coil only at the stage of current growth with a positive value of L • dI / dt. At the stage of current decay with a negative value of L • dI / dt, the semiconductor diodes are locked, and the inhomogeneous distribution of voltage and, correspondingly, electric field along the length of the accelerating gap is preserved. The heterogeneity of the electric and magnetic fields, due to the presence of slots in the cathode, is also preserved. The forced use of discrete sections of the dielectric (located opposite the slots in the cathode) reduces the efficiency of using the anode surface in the region of selection of the ion beam.

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. At the same time, new causes appear in this device, which lead to inhomogeneity of the magnetic field in the accelerating gap. Leakage currents on screens with finite resistance, both during the creation of an insulating longitudinal magnetic field and during the pulse, as well as the discrete nature of the connection of semiconductor diodes to the cathode coil, lead to a complex structure of the spreading current and magnetic field.

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. In addition, the presence of thin additional screens and a large number of semiconductor diodes leads to a complication of the design and a decrease in reliability in the conditions of operation of high-current devices. Thus, the task is to create a source of ion beams with high uniformity, high efficiency, with sufficient reliability.

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. The problem is solved as follows. In the device for producing an ion beam, which contains, like the prototype, a housing in which there is a cylindrical guide with a raster geometry, an outer cathode and an anode connected symmetrically to a magnetic field with a dielectric coating and connected to a high-voltage pulse generator, in contrast from the prototype, the anode with both ends is symmetrically connected to the high-voltage pulse generator, the cathode is transparent to the magnetic field and consists of two identical axially spaced lenii opposite and forming a dielectric coating on the anode gap of closed portions inside each of which is placed a magnetic field coil, the part of the cathode have the electrical contact between each other and are symmetrically connected to the housing.

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. The principle of operation of the device is illustrated by the following application text and is illustrated by drawings, where Fig. 1 shows a view of the inside of the device; in FIG. 2 is a schematic representation of this device (section of the anode and cathode) and its electrical connections.

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. The figures indicate: 1 - a high-voltage pulse generator, located outside the housing 2, inside of which are mounted cylindrical with guides having a raster geometry, anode 3 and cathode 4. Anode 3 is opaque to the magnetic field and symmetrically inserted into cathode 4, which consists of two identical spaced apart in the axial direction of the closed parts mounted parallel to each other so that the gap formed between them is located opposite the dielectric coating 6 on the anode 3. Parts of the cathode 4 are transparent to magnetic field (for example, stainless steel with a thickness of ≈0.5-1 mm) and at the same time are screens for the magnetic field coils located inside them 5. Parts of the cathode 4 in curved sections are electrically (and mechanically) interconnected by metal studs 7. Straight sections of both parts of the cathode 4 are connected symmetrically to the casing 2 by conducting plates 8. 9 is an anode holder, with which the anode 3 is connected at both ends to a high-voltage pulse generator 1. 10 is an anode plasma, 11 is an extracted ion beam.

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. The device operates as follows. When the coils 5 are turned on, a pulsed longitudinal magnetic field is created, penetrating through both parts of the cathode 4 that are transparent to it and which are simultaneously screens for the coils. Screens protect the coils from scattered streams of charged particles and high voltage. In the accelerating gap, the magnetic field is formed by the massive anode 3. This ensures a high parallelism of the magnetic lines of force of the surface of the anode 3. At the maximum of the magnetic field, voltage is applied to the anode 3 from a high-voltage pulse generator 1, and a dense plasma 10 is formed on the surface of the dielectric coating 6, which is a source of ions 11. Under the influence of an electric field at cathode 4, a dense explosive emission plasma is formed, which serves as a source of electrons.

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. In the annular gap, the cathode functions as a layer of cathode plasma and magnetized electrons located on a magnetic surface connected to the edges of both parts of the cathode. The equipotentiality of the cathode parts at the time of formation of the layer at the front of the accelerating voltage pulse is determined by their electrical connection to each other in curved sections outside the output region of the beam 11. Accelerated ions 11 are removed through a geometrically transparent annular gap between the parts of the cathode 4 for further use.

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. Electrons formed on the parts of the cathode drift in uniform, crossed electric and magnetic fields around the anode 3, filling the magnetic surfaces adjacent to the cathode 4. The symmetrical inclusion of the anode 3 and cathode 4 on both sides in the current circuit of the high-voltage pulse generator 1 leads to a corresponding spreading and division of the diode current. Under the influence of the crossed electric and intrinsic magnetic fields of the diode current, the electrons drift to the median plane of the diode, which indicates the beginning of the current spreading, into the region of a strong longitudinal magnetic field that prevents them from reaching the anode 3. Thus, the superposition of electron drift motions leads to uniform filling of the magnetic surfaces by the latter . The absence of one-sided electron drift and space charge accumulation both in the accelerating gap and at the edges of the diode in the region of a weak insulating magnetic field leading to the disruption of electrons to the anode 3, makes it possible to increase the generation efficiency of the device and the uniformity of the formed ion beam 11 due to the corresponding structure of the electron beam .

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. That is, in comparison with the prototype, the proposed device simplifies the design, since it lacks additional elements in the form of screens, semiconductor diodes, and increases the reliability associated with failures of semiconductor diodes in the conditions of operation of high-current accelerators.

Claims

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. A device for producing an ion beam, comprising a housing in which there is a cylindrical guide rail having a raster geometry, an external cathode and an anode connected symmetrically to it that is not transparent to a magnetic field with a dielectric coating and connected to a high-voltage pulse generator, characterized in that the anode has both ends symmetrically connected to a high-voltage pulse generator, the cathode is made transparent to the magnetic field and consists of two axially spaced and forming opposite ielektricheskogo coating on the anode gap of closed portions inside each of which is placed a magnetic field coil, the part of the cathode have the electrical contact between a symmetrical and each connected to the housing.