СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОТОКА ПОЛОЖИТЕЛЬНЫХ ИОНОВ Российский патент 1994 года по МПК H01J27/22 H01J27/26 

Изобретение относится к технике получения потоков положительных ионов, которые используются в науке и технике: ускорителях заряженных частиц, в реактивных двигателях, для различных технологических процессов.

Известны способы получения потоков положительных ионов, включающие приложение напряжения между эмиттером и электродом-экстрактором [1].

Прототипом изобретения является способ получения потоков положительных ионов, заключающийся в приложении между твердотельным эмиттером, на поверхности которого выполнен по меньшей мере один острийный выступ, и электродом-экстрактором напряжения, величина которого достаточна для взрывной ионной эмиссии [2].

Целью изобретения является увеличение тока положительных ионов.

При получении потока положительных ионов между твердотельным эмиттером, на поверхности которого выполнен по меньшей мере один острийный выступ, и электродом-экстрактором прикладывают напряжение, величина U которого достаточна для взрывной эмиссии. Величину напряжения выбирают из условия, выполняемого в области острийного выступа
gradU>, где σ- предел прочности материала эмиттера на растяжение;
ε_o= 8,85˙10-¹² Ф/м.

Сущность способа заключается в следующем.

Приложение между твердотельным эмиттером, на поверхности которого выполнен по меньшей мере один острийный выступ, электрического напряжения приводит к тому, что на его поверхности начинают действовать пондеромоторные силы электрического поля. При выполнении условия grad U> gradU> оказывается, что пондеромоторное давление этих сил превышает предел прочности вещества эмиттера, вследствие чего происходит его взрывное разрушение, а часть вещества переходит в сгусток плазмы. Из этой плазмы ускоряющим напряжением вытягиваются положительные ионы - идет взрывная эмиссия ионов.

Способ реализуется следующим образом.

К твердотельному эмиттеру с зубчатой поверхностью (количество, профили и параметры острийных зубцов-выступов могут быть произвольными) прикладывают ускоряющее напряжение. Если поток положительных ионов не возбуждается, напряжение U увеличивают, например, заданными ступенями до тех пор, пока ионы не появляются. Их появление означает, что условие grad U> gradU>выполнено. Если известны предел прочности материала и форма выступа-зуба (в частности его радиус), то величина ускоряющего напряжения, удовлетворяющего условию наступления взрывного разрушения материала, может быть определена заранее.

П р и м е р 1. Твердотельный эмиттер из вольфрама использован в качестве источника положительных ионов. Он имеет вид тонкого острия (что соответствует одному выступу) с радиусом вершины 2˙10^-7 м. К острию приложили импульс напряжения с амплитудой U = 40 кВ длительностью 20 нс. Предел прочности вольфрама при комнатной температуре σ = 4˙10⁹ Н/м. Оценки показывают, что при этих условиях grad U> gradU> , а в эксперименте при приложении импульса напряжения к эмиттеру получили поток положительных ионов с током примерно 1 А. Поверхность вольфрамовой иглы после отбора ионного тока оказалась оплавленной.

П р и м е р 2. Взяли твердотельный эмиттер из кремния проводимости n-типа также в виде тонкой иглы с радиусом вершины 4˙10^-7 м. К острию приложили импульс напряжения с U = 15 кВ и длительностью 200 мкс. Получен поток ионов с током около 5˙10^-3 А. острие разрушено.

П р и м е р 3. К твердотельному эмиттеру из вольфрама с зубчатой поверхностью приложили положительные импульсы напряжения с амплитудой U = 70 кВ и длительностью 10 нс. Через промежуток 1-2 нс после приложения импульса произошло разрушение части зубцов, в результате чего зарегистрирован ток положительных ионов около 2,5 А. В таком режиме удается осуществить достаточно большое число включений с получением потока положительных ионов. При этом форма импульсов ионного тока хорошо коррелирует с формой импульса ускоряющего напряжения.

П р и м е р 4. К твердотельному эмиттеру из вольфрама, как в примере 1, приложили импульс напряжения с U = 20 кВ длительностью 20 нс. Величина grad U составляет около 2.1010 В/м, а величина параметра =3·10¹⁰ В/м = 3˙10¹⁰ В/м, т. е. необходимое для возникновения ионного тока условие не выполнено и требуемый поток положительных ионов не получен.

Использование: ускорительная техника, реактивные двигатели, оборудование для технологических процессов. Сущность изобретения: поток положительных ионов получают путем приложения ускоряющего напряжения между твердотельным эмиттером, на поверхности которого выполнен по крайней мере один выступ, и электродом-экстрактором. В области выступа величину ускоряющего напряжения выбирают из соотношения, при выполнении которого пондеромоторное давление сил электрического поля на поверхность острия превышает предел прочности вещества твердотельного эмиттера, что сопровождается взрывным разрушением острия. Способ исключает необходимость расплавления вещества острия.

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОТОКА ПОЛОЖИТЕЛЬНЫХ ИОНОВ, заключающийся в приложении между твердотельным эмиттером, на поверхности которого выполнен по меньшей мере один острийный выступ, и электродом-экстрактором напряжения, величина которого U достаточна для взрывной ионной эмиссии, отличающийся тем, что, с целью увеличения тока положительных ионов, величину напряжения выбирают из условия, выполняемого в области острийного выступа:
gradU > ,
где σ - предел прочности материала эмиттера на растяжение;
ε_o = 8,85 · 10^-12 Ф/м.