ДУОПЛАЗМОТРОН Российский патент 1995 года по МПК H01J27/10 

Изобретение относится к источникам ионов, применяемым на ускорителях заряженных частиц, и может использоваться во всех областях техники, где требуются пучки ионов.

Широко известны источники ионов дуоплазматронного типа [1] недостатком которых является ограниченное значение величины фазовой плотности тока пучка, извлекаемого из источника.

Наиболее близок к изобретению дуоплазматронный источник ионов [2] содержащий катод, промежуточный электрод, анод с отверстием эмиссии и магнитопровод с электромагнитной катушкой, создающей магнитное поле между анодом и промежуточным электродом.

Недостатком этого источника ионов является ограничение фазовой плотности тока пучка ионов на выходе источника, зависящее от магнитного поля между анодом и промежуточным электродом и от эффективности ионизации рабочего газа в этом зазоре.

Целью изобретения является повышение фазовой плотности тока пучка ионов на выходе источника.

Для этого в дуоплазматроне, содержащем катод, промежуточный электрод и анод с отверстием эмиссии, дополнительно установлен в зазоре между промежуточным электродом и анодом трубчатый полый безканальный катод так, что его аксиальная ось совпадает с центральной продольной осью источника, и он электрически соединен с промежуточным электродом.

Такая конструкция позволяет производить контрагирование плазмы в области анода, возникающей при зажигании электрического разряда в источнике, не магнитным полем, вызывающим вихревое движение электронов и увеличивающим шумы в плазме и температуру пучка ионов на выходе источника, а электрическим полем, формирующимся при прохождении электронного тока через полый катод.

Кроме того, возникающий "эффект полого катода" повышает эффективность ионизации газа за счет увеличения плотности электронного потока и ведет к увеличению ионного тока при пропускании электронного пучка через полый катод. Перечисленные факторы позволяют повысить фазовую плотность тока пучка ионов на выходе источника.

Конструктивным отличием предлагаемого изобретения является использование вместо магнитопровода с электромагнитной катушкой полого трубчатого безканального катода, установленного в заданном месте и указанным способом.

В результате введенных конструктивных изменений в источнике ионов дуоплазматронного типа возникает новое физическое свойство, а именно: второе контрагирование плазмы в зазоре анод-промежуточный электрод осуществляется не магнитным полем, а с помощью электрических процессов внутри трубчатого полого безнакального катода. В результате снижается вихревое движение электронов в плазме и повышается эффективность ионизации газа, что способствует увеличению фазовой плотности тока пучка ионов на выходе источника.

На чертеже представлена схема предлагаемого дуоплазматрона.

Дуоплазматрон состоит из подводящей магистрали 1, разрядной камеры 2, промежуточного электрода 3, катода 4, трубчатого катода 5, анода 6 и эмиссионного отверстия 7.

Дуоплазматрон работает следующим образом.

Газ по магистрали 1 поступает в разрядную камеру 2, заполняя ее до рабочего давления. После подачи электрических импульсов на катод 4 и промежуточный электрод 3 с широко известных схем электрического питания, используемых для источников дуоплазматронного типа, в разрядной камере 2 зажигается электрическая дуга между катодом 4, промежуточным электродом 3 и анодом 6 по известным законам. Образовавшаяся в источнике плазма подвергается первому контрагированию электрическим полем в конической области носика промежуточного электрода 3 согласно известной теории работы дуоплазматрона. Второе контрагирование плазмы производится в полости трубчатого катода 5. Электронный поток с образованного в носике электрода 3 мениска поступает во внутреннюю полость катода 5 и, двигаясь за счет приобретенной ранее энергии и под действием разности электрических потенциалов, существующей между промежуточным электродом 3 и анодом 6, ионизирует газ, образуя плазму, заполняющую всю протяженность внутренней области полого катода 5, и обеспечивая эмиссию электронов со всей внутренней поверхности катода 5. Поскольку электронный поток вдоль продольной оси полого катода 5 складывается и из электронов, эмиттируемых с внутренних поверхностей этого катода, то отбор тока вдоль эмиттирующей поверхности сильно увеличивает плотность тока в поперечном сечении разрядного промежутка и предельные токи, которые могут быть достигнуты в такой форме дугового разряда, гораздо выше, чем для обычных форм дуги, кроме того, в разряде с полым катодом из-за нарушения закона Геля в области катодного падения происходит рост плотности ионизации газа в направлении к аноду, характеризующийся Таунсендовским коэффициентом α, и специфика разряда с полым катодом такова, что происходит дополнительное увеличение концентрации ионов за счет более эффективного использования ионизирующей способности электронов при такой геометрии катода, в результате их осцилляции между стенками катода 5. Перечисленные выше факторы увеличивают эффективность ионизации газа в области отверстия 7 эмиссии, обеспечивая максимальное использование ионов плазмы для создания направленного потока ионов, что ведет к увеличению тока ионов на выходе источника и повышает его фазовую плотность. Кроме того, в предлагаемом изобретении обеспечивается максимальная эффективность расхода рабочего газа и преобразования энергии. Отсутствие магнитного поля в зазоре между анодом и промежуточным электродом, которое создает вихревое движение электронов и повышает уровень шумов в плазме, также ведет к уменьшению теплового разброса ионов в извлекаемом пучке и способствует повышению фазовой плотности тока пучка. Отсутствие электромагнитной катушки, потребляющей значительное количество электроэнергии, повышает электрическую экономичность источника и снижает энергетическую цену иона. Отсутствие в предлагаемой конструкции магнитов, магнитопровода и блоков электрического питания электромагнита упрощает конструкцию источника, снижает вес и габаритные размеры, повышает срок службы и надежность работы дуоплазматрона и уменьшает его стоимость. Источник становится более прост в эксплуатации.

В результате проведенных испытаний предлагаемого изобретения на ускорителе протонов прямого действия выяснилось, что по сравнению с источником дуоплазматронного типа, выбранным за прототип, имеющим магнитное поле в области анода и работающим в импульсном режиме, после установки в этот источник между анодом и промежуточным электродом полого трубчатого катода предложенным образом и выключения магнитного поля без какой-либо последующей оптимизации конструкции или режимов работы давление водорода в разрядной камере, обеспечивающее стабильную работу источника, упало на 60% от предыдущего, ионный ток на выходе ускорителя возрос в 1,4 раза, а значение фазовой плотности этого тока увеличилось в 1,5 раза.

Использование: ускорители заряженных частиц. Сущность изобретения: в зазоре между промежуточным электродом и анодом установлен полый безнакальный катод. Контактирование плазмы в области отверстия эмиссии осуществляется не магнитным полем, а за счет электрических процессов, возникающих внутри полого катода при пропускании через него потока электронов. За счет этого повышается величина тока и фазовая плотность пучка ионов на выходе источника, снижается рабочее давление газа в разрядной камере, уменьшается энергетическая цена иона, упрощается конструкция источника, а также повышается надежность при эксплуатации. 1 ил.

ДУОПЛАЗМОТРОН, содержащий соосно расположенные катод, промежуточный электрод с контрагирующим отверстием и анод с эмиссионным отверстием, отличающийся тем, что между промежуточным электродом и анодом установлен полый безнакальный катод, размещенный соосно с электродами с зазорами между ними и электрически соединенный с промежуточным электродом.