ИОННАЯ ПУШКА Российский патент 1997 года по МПК H01J3/04 H01J27/02 H05H5/00 

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для генерации ионных пучков.

Использование мощных ионных пучков для модификации материалов и изделий требует создание ионных пушек, обладающих большим ресурсом работы и стабильными параметрами генерируемого пучка. Выводимый пучок в большинстве случаев практического использования должен иметь или круговое сечение, или прямоугольное с близкими размерами сторон с максимально достижимой однородностью пучка по сечению.

Известно устройство, предназначенное для генерации однородного мощного ионного пучка ленточного сечения (авт.св. N 1275795; Быстрицкий В.М. Красик Я. Е. Матвиенко В.М. "Получение однородного ионного пучка большой площади в магнитно-изолированном диоде. " ЖТФ, 1987, т. 57, в. 3, с. 463 468.). Это устройство состоит из плоского виткового катода, размещенного в вакуумном корпусе. К разомкнутым концам виткового катода подключен импульсный источник тока. Катод и корпус устройства соединены полупроводниковыми диодами, равномерно расположенными вдоль катода. Анод располагается внутри катода и имеет плазмообразующее покрытие напротив отверстий в катоде. Между электродами катода со стороны подключения источника тока установлен тонкий проводящий экран, задающий распределение электрического поля в этом месте.

Недостатками устройства являются сложность и низкая надежность, связанные с использованием большого числа силовых полупроводниковых диодов, ресурс работы которых мал в случае реализации аварийного режима работы ионной пушки. Аварийный режим связан со срывом системы синхронизации и приходом высоковольтного импульса на анод при отсутствии изолирующего поля в анод-катодном зазоре.

Наиболее близкое к предлагаемому устройство по авт.св. N 1102474 "Ионная пушка" выбрано за прототип. Эта ионная пушка содержит катод, выполненный в виде разомкнутого с одного конца конуса плоского витка с отверстиями для вывода ионного пучка, и плоский анод, расположенный внутри катода и имеющий скругления на своих торцах. На аноде, напротив отверстий в катоде, располагаются плазмообразующие участки. К разомкнутым концам катода подключен источник тока и между этими же концами катода расположен тонкий проводящий экран, выполненный в виде полуцилиндра и имеющий электрический контакт с обоими концами катода. С помощью этого экрана задается цилиндрическая геометрия распределения электрического поля на этом участке ионной пушки и снижаются локальные потери электронов на анод в этом месте. Низкая механическая прочность и малая эрозионная стойкость тонкого экрана являются недостатком данного устройства и снижают ресурс непрерывной работы ионной пушки. Простое увеличение толщины экрана невозможно, поскольку в этом случае экран начинает существенно шунтировать источник тока и заметно искажать распределение магнитного поля вблизи себя.

Таким образом, остается актуальной задача создания ионной пушки с однородным электрическим и изолирующим магнитным полем в анод-катодном промежутке, обладающей высокой надежностью, стойкостью к аварийным режимам и большим ресурсом работы.

Для решения этой задачи ионная пушка, как и прототип, содержит катод в виде разомкнутого с одной стороны плоского витка с отверстиями, подключенный разомкнутыми концами к источнику тока, плоский со скруглениями на торцах анод, расположенный внутри катода и имеющий плазмообразующие участки напротив отверстий катода. В отличие от прототипа разомкнутые концы катода выполнены в виде двух встречно-направленных штыревых гребенок и расстояние между соседними штырями меньше анод-катодного зазора.

Такое выполнение узла подключения катода к источнику тока позволяет получить в этом месте достаточно однородные электрические и магнитные поля без применения дополнительных экранов, которые снижают надежность работы ионной пушки.

На чертеже приведена предлагаемая ионная пушка.

Устройство содержит катод 1, выполненный в виде плоского витка с отверстиями 2 для вывода ионного пучка, плоский анод 3, выполненный со скруглениями на своих торцах и плазмообразующими участками 4, размещенными напротив отверстий в катоде, два встречно-направленных штыревых гребенчатых электрода 5, соединенных с разомкнутыми концами катода и охватывающих анод и источник тока 6, подключенный к концам гребенчатых электродов.

Устройство работает следующим образом. Включается источник тока 6, подключенный к концам гребенчатых электродов 5, и по катоду 1 протекает ток, создающий в анод-катодном зазоре изолирующее магнитное поле. Направление изолирующего тока по гребенчатым электродам совпадает, а толщина штыревых электродов и расстояние между соседними штырями выбираются из условия равенства магнитного поля в области штыревых электродов и остальной части виткового катода. Поскольку расстояние между соседними штырями значительно меньше анод-катодного зазора, локальные неоднородности магнитного поля в этой области малы и не оказывают заметного влияния на характеристики магнитной изоляции в целом. Неоднородности электрического поля на этом участке по той же причине также малы, поскольку провисание силовых линий поля в межштыревое пространство сказывается, в основном, до глубины, равной зазору между соседними штырями.

В момент максимума магнитного поля на анод 3 от генератора высоковольтных импульсов подается импульс положительной полярности. Плотная плазма, образованная на плазмообразующих участках 4 поверхности анода, служит источником ускоряемых ионов. Ионы ускоряются в анод-катодном промежутке, проходят через отверстия 2 в катоде и транспортируются в закатодном пространстве. Если длина виткового катода соизмерима с его шириной, то влияние собственной индуктивности катода на работу ионной пушки может быть ослаблено и не возникнет необходимости в использовании шунтирующих элементов.

По сравнению с известными предлагаемое устройство не содержит элементов, способных приводить к снижению ресурса работы как в нормальном режиме, так и аварийных режимах работы ионной пушки. Значительно увеличивается надежность ионной пушки.

Использование: в технике получения импульсных мощных ионных пучков. Предложенная ионная пушка позволяет получать пучки кругового или прямоугольного сечения с высокой однородностью. Сущность изобретения: ионная пушка содержит катод в виде разомкнутого с одной стороны плоского витка с отверстиями, подключенный разомкнутыми концами к источнику тока. Внутри катода установлен плоский анод, имеющий скругления на своих торцах и плазмообразующие участки напротив отверстий катода. В отличие от прототипа разомкнутые концы катода выполнены в виде двух встречно-штыревых гребенках. Такое выполнение узла подключения катода к источнику тока позволило исключить из конструкции тонкий проводящий экран и увеличить надежность и ресурс непрерывной работы ионной пушки. 1 ил.

Ионная пушка, содержащая катод, выполненный в виде разомкнутого с одного конца плоского витка с отверстиями для вывода ионного пучка плоский анод, расположенный внутри катода и выполненный со скруглениями на торцах и плазмообразующими участками, размещенными напротив отверстий в катоде, источник тока, подключенный к разомкнутым концам катода, отличающаяся тем, что разомкнутые концы катода выполнены в виде двух встречно направленных штыревых гребенок, при этом расстояние между соседними штырями меньше анод-катодного зазора.