ИОННЫЙ ДИОД С МАГНИТНОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ ЭЛЕКТРОНОВ

Полезная модель относится к области нейтронных источников, конкретно, к устройствам для генерации импульсных нейтронных потоков.
Известны импульсные генераторы нейтронов, с магнитной изоляцией вторичных электронов [1, 2], состоящие из вакуумной ускорительной трубки с полным цилиндрическим катодом, на внутренней поверхности которого расположена нейтронообразующая мишень, и расположенного в торце катода цилиндрического анода, на который установлен ионный источник, системы магнитной изоляции, а также из импульсного генератора высоких напряжений.
Однако, недостатком данных устройств является низкая эффективность магнитной изоляции вторичных обратных электронов, а также средний КПД ускорения ионов, не позволяющие им генерировать импульсные нейтронные потоки большой величины, что обуславливается недостаточной величиной индукции магнитного поля и его произвольным распределением.
Известна также импульсная нейтронная трубка [3], взятая за прототип. Данная нейтронная трубка включает в себя вакуумную камеру, полый цилиндрический катод, на внутреннюю поверхность которого нанесен материал нейтронообразующей мишени, в торце катода размещен цилиндрический анод, на который установлена лазерная мишень, в противоположном торце катода располагается оптическое окно, предназначенное для прохождения лазерного излучения, а катушка магнитной изоляции соосна катоду и опоясывает его.
Импульсная нейтронная трубка работает следующим образом. Лазерное излучение проходит через оптическое окно и создает на лазерной мишени плазменный сгусток. Одновременно с этим, и с некоторой задержкой запускается система импульсного электропитания, которая подает на анод импульс положительного относительно катода напряжения. Расширяющийся при возрастающем напряжении плазменный сгусток эмитирует положительные ионы, ток ионов сначала ограничивается законом Чайлда-Ленгмюра, а впоследствии, при достаточном сближении расширяющийся плазменной границы с катодом и возрастании напряжения, ограничивается эмиссионной способностью плазмы. Ускоренные на поверхность катода ионы вызывают вторичную ионно-электронную эмиссию. Ток этих вторичных электронов в 3-4 раза превышает ток ионов и вместе они способны замкнуть собой ускоряющий промежуток. Магнитное поле, создаваемое катушкой магнитной изоляции, запирает часть электронов в пространстве между катодом и анодом, не давая им замыкать ускоряющий промежуток и нагружать систему импульсного электропитания.
Недостатком данного устройства является низкое КПД ускорения больших потоков ионов, что связано с существенным током вторичных обратных электронов, протекающим через зазор между анодом и катодом, так как отсутствует эффективная изоляция тока электронов в ускоряющем промежутке вследствие неправильного расположения силовых линий изолирующего магнитного поля относительно лазерно-плазменного сгустка, а также малой величины индукции магнитного поля в зазоре между плазмой и катодом.
Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в увеличении КПД ускорения ионов, в увеличении ускоряющего ионы напряжения за счет более эффективного подавления тока ускоренных обратно к аноду вторичных электронов с катода.
c
1
in1
m
1
c
m
2
in2
m
1
in3
v
1
c
in1
in2
in3
m
1
2
v
1
Этот результат достигается тем, что в известном ионном диоде с магнитной изоляцией электронов, состоящем из цилиндрического анода с лазерной мишенью, полого цилиндрического катода диаметром D и длиной L, опоясывающего его одного первого кольцевого постоянного магнита с внутренним диаметром D, внешним диаметром D и длиной L, при этом внутренняя поверхность полого цилиндрического катода имеет форму усеченного конуса с диаметром нижнего основания D с углом наклона образующей α, со стороны нижнего основания установлен второй кольцевой постоянный магнит внешним диаметром D, длиной L и внутренним диаметром D, со стороны верхнего основания полого цилиндрического катода размещен третий кольцевой постоянный магнит внешним диаметром D, длиной L и внутренним диаметром D, при этом все магниты имеют встречные полюса, а с внешней стороны всех кольцевых постоянных магнитов и между ними установлены прокладки из магнитного материала толщиной d для придания силовым линиям магнитного поля необходимой формы, причем прокладка между первым и третьим кольцевыми постоянными магнитами имеет со стороны третьего кольцевого постоянного магнита цилиндрическое удлинение на внутреннею поверхность первого кольцевого постоянного магнита длиной L и толщиной d, а параметры α, D, D, D, D, D, L, L, L, d, d удовлетворяют следующим соотношениям:
Неравенства (1) регулируют максимальный и минимальный угол наклона образующей внутренней поверхности полого цилиндрического катода, имеющей форму усеченного конуса, при котором на катод попадает большая доля ионного тока. Нижний предел является условием, обеспечивающим извлечение положительных ионов преимущественно на катод. Верхний предел является условием, обеспечивающим электрическую прочность вакуумного промежутка между катодом и анодом. Данный диапазон значений угла наклона образующей α был получен посредством численного моделирования процессов разлета плазмы и извлечения ионов в ионном диоде с магнитной изоляцией электронов.
Неравенство (2) регулирует максимальный предел отношения внутреннего диаметра первого кольцевого постоянного магнита и большего внутреннего диаметра конусовидного катода, при которых достигаются оптимальные условия магнитной изоляции обратных электронов. Верхний предел является условием, обеспечивающим достаточную для эффективной магнитной изоляции величину индукции магнитного поля.
Неравенства (3) регулируют максимальный и минимальный пределы отношения малого внутреннего диаметра второго кольцевого постоянного магнита и большего внутреннего диаметра конусовидного катода, при которых достигаются оптимальные условия магнитной изоляции обратных электронов и на катод попадает большая доля ионного тока. Нижний предел является условием, обеспечивающим электрическую прочность вакуумного промежутка между катодом и анодом. Верхний предел является условием, обеспечивающим необходимое для эффективной магнитной изоляции и извлечения положительных ионов преимущественно на катод распределение магнитного поля.
Неравенства (4) регулируют пределы размеров внутреннего диаметра третьего кольцевого постоянного магнита, при которых достигаются оптимальные условия магнитной изоляции обратных электронов. Нижний предел является условием, обеспечивающим прохождение импульса лазерного излучения на лазерную мишень. Верхний предел является условием, обеспечивающим достаточную для эффективной магнитной изоляции величину индукции магнитного поля.
Неравенства (5) регулируют максимальный и минимальный пределы отношения внешнего диаметра кольцевых магнитов и большего внутреннего диаметра конусовидного катода, при которых достигаются оптимальные условия магнитной изоляции обратных электронов. Нижний предел является условием, обеспечивающим достаточную для эффективной магнитной изоляции величину индукции магнитного поля. Верхний предел является условием, обеспечивающим адекватные габариты устройства.
Неравенства (6) регулируют максимальный и минимальный пределы отношения длины конусовидного катода и большего внутреннего диаметра конусовидного катода, при которых на катод попадает большая доля ионного тока. Нижний предел является условием, обеспечивающим электрическую прочность вакуумного промежутка между катодом и анодом. Верхний предел является условием, обеспечивающим извлечение положительных ионов преимущественно на катод.
Неравенства (7) регулируют максимальный и минимальный пределы отношения длины второго кольцевого постоянного магнита и длины конусовидного катода, при которых достигаются оптимальные условия магнитной изоляции обратных электронов. Нижний предел является условием, обеспечивающим достаточное для эффективной магнитной изоляции распределение магнитного поля. Верхний предел является условием, обеспечивающим достаточную для эффективной магнитной изоляции величину индукции магнитного поля.
Неравенства (8) регулируют максимальный и минимальный пределы отношения размера удлинения прокладки из магнитного материала между первым и третьим кольцевыми постоянными магнитами и длины конусовидного катода, при которых достигаются оптимальные условия магнитной изоляции обратных электронов. Нижний и верхний пределы являются условиями, обеспечивающими необходимое для эффективной магнитной изоляции распределение и величину индукции магнитного поля.
Неравенства (9) регулируют максимальный и минимальный пределы отношения толщины прокладок из магнитного материала и толщиной третьего кольцевого постоянного магнита. Нижний и верхний пределы являются условиями, обеспечивающими необходимое для эффективной магнитной изоляции распределение и величину индукции магнитного поля.
Неравенства (10) регулируют максимальный и минимальный пределы отношения толщины удлинения прокладки из магнитного материала между первым и третьим кольцевыми постоянными магнитами и толщины прокладок из магнитного материала
c
1
c
В проведенных расчетах магнитной изоляции электронов полем трех кольцевых постоянных магнитов основным масштабирующим параметром ионного диода с магнитной изоляцией электронов является внутренний диаметр конического катода D, с углом наклона образующей α, чьи значения определяются неравенством (1). Этот параметр посредством неравенства (6) связывается с оптимальной длиной катода L. Из этих параметров уже определяются размеры всех остальных элементов ионного диода. Так, неравенства (2) - (5) связывают между собой и с D внутренние и внешние диаметры всех трех кольцевых магнитов, неравенства (7) и (8) задают соотношения между длинами всех элементов, а неравенства (9) и (10) определяют толщины прокладок из магнитного материала. Все это в совокупности определяет согласованную систему из постоянных магнитов и прокладок из магнитного материала между ними, что, в соответствие с расчетами, позволяет создать распределение магнитного поля, способное одновременно обеспечить эффективную магнитную изоляцию вторичных электронов и увеличить долю ионов, попадающих на катод.
Таким образом, технический результат достигается за счет конструкции кольцевых постоянных магнитов и магнитных прокладок между ними, определяемой соотношениями (1) - (10), которые основаны на проведенном компьютерном моделировании распределения магнитного поля, результаты которого приведены на Фиг. 1. Линии магнитного поля заданы ортогонально направлению движения вторичных обратных электронов, что позволяет запирать их вблизи поверхности конусовидного катода. Вместе с этим, линии магнитного поля имеют требуемую по расчетам положительную кривизну в области большего основания катода, значительно выступая за плоскость этого основания.
c
m
1
На Фиг. 2 представлен конкретный пример исполнения ионного диода с магнитной изоляцией электронов. Он состоит из следующих частей: 1 - первого кольцевого постоянного магнита, 2 - второго кольцевого постоянного магнита, 3 - третьего кольцевого постоянного магнита, между которыми установлены прокладки из магнитного материала 4, причем прокладка между 1 и 3 магнитами имеет со стороны 3 магнита цилиндрическое удлинение 10 на внутренней поверхности 1 магнита, блока питания высокого напряжения 5, соединенного с анодом 6, лазерной мишени 7, установленной на аноде 6 напротив трассы лазерного излучения 9, и конусовидного катода 8, охватывающего анод 6. Оптимальные по расчетам размеры предлагаемого устройства представлены следующим набором диаметров D = 80 мм, D = 130 мм, L = 70 мм.
Устройство работает следующим образом. Импульс лазерного излучения подается на лазерную мишень 7 через трассу 9. Одновременно с этим блок питания 5 подает на анод 6 импульс высокого напряжения > +300 кВ, положительного относительно катода 8. После поглощения лазерной мишенью 7 энергии излучения на ней образуется плотный сгусток, расширяющийся плазмы. В процессе расширения сгустка плазмы из него извлекаются положительные ионы, ток которых увеличивается по мере возрастания напряжения между анодом 6 и катодом 8 и/или по мере приближения плазменной границы сгустка к катоду 8. При расширении плазменного сгустка в область достаточно сильного магнитного поля, его движение по направлению к катоду 8 останавливается, и плазма растягивается вдоль силовых линий магнитного поля.
Вследствие этого, плазма остается в объеме, ограниченном размерами катода, что обеспечивает извлечение положительных ионов преимущественно на катод и одновременно с этим во всем объеме ионного диода сохраняется отличная от нуля ортогональная направлению движения вторичных электронов компонента магнитного поля, обеспечивающая согласно проведенным расчетам эффективную магнитную изоляцию этих электронов. Предложенная конфигурация магнитов 1, 2, 3 и прокладок из магнитного материала 4 вместе с соотношениями размеров, заданными неравенствами (1-8), обеспечивает, согласно проведенным расчетам, запирание у катода 6 всех обратных вторичных электронов при величине индукции магнитного поля, большей 0.3 Тл и растяжку расширяющегося сгустка лазерной плазмы вдоль линий магнитного поля, отображенных на Фиг. 1 у поверхности катода 8. В этом случае плазменная граница устанавливается ближе к катоду 8 и увеличивается ток извлекаемых на него положительных ионов. В результате КПД ускорения ионов и величина тока ионов увеличиваются, прежде всего за счет уменьшения тока обратных ускоренных между катодом и анодом электронов.
Таким образом, предложенная полезная модель позволяет увеличить КПД ускорения ионов, увеличить ускоряющее ионы напряжение за счет более эффективного подавления обратного тока ускоренных электронов, что дает возможность применить предлагаемый ионный диод с магнитной изоляцией электронов в устройствах для генерации импульсных нейтронных потоков высокой интенсивности и короткой длительности, применяемых в приборах радиационной техники, например, в нейтронном активационном анализе.
Источники информации:
1. Вовченко Е.Д., Козловский К.И., Шиканов А.Е. и др. Ионный триод для генерации нейтронов. Патент на полезную модель №149963 от 27.01.2015 г.
2. Козловский К.И., Вовченко Е.Д., Шиканов А.Е. и др. Импульсный генератор нейтронов. Патент на полезную модель №184106 от 16.19.2018 г.
3. Беспалов Д.Ф., Козловский К.И., Цыбин А.С.и Шиканов А.Е. Импульсная нейтронная трубка. Авторское свидетельство №766048 от 23.09.1980 г.