ПЛАЗМЕННЫЙ ЭМИТТЕР ИОНОВ Российский патент 1995 года по МПК H01J27/04 

Изобретение относится к технике получения плазмы и генерации интенсивных ионных пучков с большим поперечным сечением.

Известны плазменные эмиттеры заряженных частиц на основе тлеющего разряда низкого давления, в которых для понижения рабочего давления и повышения плотности плазмы используются сильные магнитные поля с индукцией примерно 10^-2-10^-1 Тл. Такие плазменные эмиттеры используются для получения узких сфокусированных пучков в системах на основе отражательного разряда и для получения кольцевых пучков в системах на основе магнетронного разряда [1]
Однако наложение сильных магнитных полей приводит к значительной пространственной неоднородности генерируемой плазмы, что затрудняет использование таких систем для получения пучков большого сечения.

Генерация в больших объемах однородной плотной плазмы при низких давлениях обеспечивается в разрядах с полым катодом без магнитного поля. Для устойчивого горения разряда необходимо, чтобы длина энергетической релаксации осциллирующих внутри полого катода быстрых электронов была сопоставима с их средней длиной пробега в полости, что достигается увеличением размеров полости и снижением площади потерь быстрых осциллирующих электронов. Площадь потерь равна сумме площадей выходной апертуры полости и конструктивных элементов, имеющих положительный потенциал относительно катода.

Известный плазменный эмиттер ионов такого типа содержит полый катод с многоапертурным эмиссионным окном и размещенный внутри катода штыревой анод [2]
Однако зажигание такого разряда при низких давлениях затруднено из-за того, что напряжение зажигания разряда значительно превышает напряжение его горения. Это приводит к необходимости использования специальных систем инициирования, обеспечивающих повышение межэлектродного напряжения или создание поджигающей плазмы, инжектируемой затем в полость для поджига основного разряда. Это усложняет конструкцию разрядной системы и схему электропитания, вследствие чего снижается надежность устройства. Кроме того, предельные параметры генерируемых в таких источниках пучков ограничены, поскольку при небольших размерах полости для выполнения условия самостоятельности разряда необходимо увеличивать расход газа, что ухудшает электрическую прочность ускоряющего промежутка и приводит к снижению рабочего напряжения источника, а необходимость увеличивать размер полости при низких давлениях приводит к уменьшению плотности плазмы и соответственно к снижению величины и плотности эмиссионного тока.

Задачей изобретения является повышение газовой экономичности и надежности устройства в работе при сохранении плотности тока ионной эмиссии и однородности ее распределения.

Для этого в плазменном эмиттере ионов, содержащем штыревой анод и полый катод с многоапертурным эмиссионным окном, эмиссионное окно выполнено на одном из торцов цилиндрического полого катода, а с наружной стороны катода соосно с ним размещен соленоид, причем L D; l (0,5-0,8)L, где L, D длина и диаметр полого катода. l длина штыревого анода.

В предложенной конструкции эмиттера для зажигания разряда не требуется инжекции плазмы вспомогательного разряда в катодную полость или значительного повышения межэлектродного напряжения. Разряд устойчиво зажигается при более низких по сравнению с прототипом давлениях газа при приложении напряжения между катодом и анодом благодаря наложению магнитного поля, затрудняющего уход быстрых электронов на анод. Экспериментально установлено, что диапазон оптимальных для зажигания и горения разряда значений индукции магнитного поля меняется с родом газа, но для всех использовавшихся газов эти значения составляют величину ≈ 10^-3 Тл. При меньших магнитных полях (≈ 10^-4 Тл) возрастают потери быстрых электронов, а при более сильных ( ≈10^-2 Тл) возникают шумы и неустойчивости плазмы, ухудшается ее однородность. Уменьшение диаметра анода снижает поверхность потерь быстрых электронов, но ограничено из-за ухудшения условий теплоотвода. При отношении размеров L D обеспечивается высокая плотность тока эмиссии при низких давлениях газа. Газовая экономичность ухудшается как при укорочении катода из-за повышения минимального рабочего давления газа, так и при его удлинении вследствие уменьшения тока эмиссии. При l < 0,5 L затрудняется горение разряда и уменьшается ток эмисси, а при l > 0,8 L увеличивается неоднородность распределения плотности тока эмиссии. Предложенный плазменный эмиттер ионов благодаря указанным отличительным признакам обладает повышенной надежностью и газовой экономичностью.

На чертеже представлен предложенный плазменный эмиттер ионов.

Эмиттер содержит полый цилиндрический катод 1, в одном из торцов которого выполнено многоапертурное эмиссионное окно 2, а на другом с помощью проходного изолятора 3 соосно с катодом установлен штыревой анод 4. С внешней стороны катода соосно с ним установлен соленоид 5.

Плазменный эмиттер ионов работает следующим образом.

Через соленоид 5 пропускается ток, создающий в полости магнитное поле с индукцией ≈ 10^-3 Тл. В катодную полость напускается газ, и при приложении между катодом 1 и анодом 4 напряжения зажигается разряд, из плазмы которого через эмиссионное окно производится отбор ионов.

Испытания опытного образца плазменного эмиттера ионов проводились в импульсно-периодическом режиме при непрерывном напуске газа в катодную полость диаметром 150 мм. Диаметр анода составлял 3 мм, длина 100 мм. Длительность импульса составляла 2 ˙ 10^-3 с, частота следования импульсов до 25 гц. Получен импульсный ток эмиссии ионов 0,4 А с плазменной поверхности 200 см². Давление в газоразрядной камере было ≈ 10^-2 Па, в то время как в прототипе при таких размерах газоразрядной камеры для устойчивого горения разряда необходимо давление ≈ 10^-1 Па, а снижение давления до 5˙10^-2 Па может быть достигнуто только при существенном (до 0,8 м) увеличении длины полого катода. Зажигание разряда и его поддержание обеспечивалось одним источником питания с напряжением холостого хода до 1,8 кВ. Напряжение горения разряда в зависимости от рода газа и его давления, а также температуры катода изменялось в пределах 500-900 В. Неоднородность распределения плотности эмиссионного тока не превышала 8%
Использование предлагаемого плазменного эмиттера ионов в технологических источниках заряженных частиц позволит снизить давление газа и напряжение зажигания разряда, что обеспечит достижение более высоких ускоряющих напряжений и позволит повысить надежность устройства за счет упрощения конструкции и схем электрического питания источников, что существенно улучшит их функциональные и эксплуатационные характеристики.

Использование: техника получения плазмы и генерации интенсивных ионных пучков с большим поперечным сечением. Сущность изобретения: эмиттер содержит полый цилиндрический катод 1, в одном из торцов которого выполнено многоапертурное эмиссионное окно 2, а на другом с помощью проходного изолятора соосно с катодом установлен штыревой анод 4. С внешней стороны катода соосно с ним установлен соленоид 5, создающий в полости магнитное поле с индукцией приблизительно 10^-3Tл В катодную полость напускается газ и при приложении между катодом 1 и анодом 4 напряжения зажигается разряд, из плазмы которого через эмиссионное окно производится отбор ионов. 1 ил.

ПЛАЗМЕННЫЙ ЭМИТТЕР ИОНОВ, содержащий полый катод, в одной из частей которого выполнены эмиссионные отверстия, и размещенный в полости катода анод, выполненный в виде штыря, отличающийся тем, что катод имеет форму цилиндра с выполненными в торце эмиссионными отверстиями, анод установлен соосно с катодом, с внешней стороны которого соосно размещен соленоид, при этом размеры катода выбраны из условий l (0,5 0,8)L, L D, l длина анода, L длина полости катода, D диаметр полости катода.