ПРОТОННЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ ИСТОЧНИК С КАТОДНЫМ КОНУСОМ Российский патент 1997 года по МПК H01J27/04 H01J37/04 H05H7/00 

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано в научной деятельности, в медицине и в технологических процессах, в которых используются протонные пучки со средней интенсивностью тока до 50•10^-6А.

Известен протонный источник с катодной иглой [1] он состоит из первого холодного катода в виде плоского диска из нержавеющей стали с углублением в центре в виде стакана, на дне которого закреплена конусообразная игла из нержавеющей стали.

Катод прижат к магнитному полюсу, в котором выполнено цилиндрическое углубление в центре для размещения в нем первого катода.

Второй катод выполнен так же, как и первый, но с меньшим углублением, а вместо катодной иглы в дне углубления выполнено отверстие для ионной эмиссии. Между катодами расположен анод в виде отрезка трубы. Два катода и анод помещены в цилиндрическую камеру, на которую снаружи надета соленоидальная катушка, создающая по оси источника продольное магнитное поле.

Недостатком этого источника является ограничение уровня среднего ионного тока, определяемой величиной порядка 30•10^-6А при импульсном ионном токе не боле 140•10^-3А.

Расход газа при этом составляет порядка 50 см³/ч.

Прототипом изобретения является конструкция [2] в которой первый катод содержит вольфрамовый стержень с конусообразным острием. Длина стержня выбрана так, что острие оказывается внутри анода. Для ограничения прямого разряда между анодом и катодами в зазорах между ними введено несколько диафрагм под "плавающим" потенциалом.

Недостатком прототипа является повышенный расход газа (140см³/ч), но импульсный ток при этом составляет 0,9 А при длительности импульса 120•10^-6 с с нефорсированной частотой посылок /5 Гц/.

Задачей изобретения является создание протонного источника со средней интенсивностью пучка до 50•10^-6А при расходе водорода меньше 140 см³/ч.

Поставленная задача достигается тем, что в протонном импульсном источнике с катодным конусом, состоящем из соленоидной катушки, надетой на немагнитную вакуумную камеру, внутри которой находится первый магнитный полюс с центральным углублением, первого катода из нержавеющей стали в виде плоского диска с центральным углублением в виде стакана, на дне которого закреплен конус из тугоплавкого металла с углом раствора 60^o, анода в виде цилиндра с отверстием, второго катода в виде плоского диска с центральным углублением, на дне которого имеется отверстие эмиссии, в аноде размещены стержни постоянных магнитов, образующих области с поперечным магнитным полем относительно оси анода, а напротив катодов установлены магнитные экраны в виде пакетов дисков из магнитного материала с зазорами между дисками.

На чертеже изображено поперечное сечение протонного импульсного источника с катодным конусом, оно содержит первый холодный катод источника из нержавеющей стали 1. По оси источника в углублении первого катода установлен корпус 2 из тугоплавкого металла. Угол при вершине конуса составляет 60^o. Расстояние от плоскости катода до вершины конуса 1 мм. Первый катод 1 примыкает к первому магнитному полюсу 3, в центре которого имеется углубление для катода 1. Второй холодный катод 4 выполнен из нержавеющей стали с центральным углублением меньшим, чем у первого катода. В центре второго катода 4 выполнено отверстие эмиссии диаметром 2 мм. Второй катод 4 своей выступающей частью вставлен в отверстие второго магнитного полюса 6. Анод 7 в виде пустотелого цилиндра с центральным отверстием выполнен из нержавеющей стали.

Внутри анода помещены постоянные магниты 8 в виде прямоугольных стержней. Эти магниты образуют почти сплошную магнитную стенку внутри анодного отверстия с нулевым полем на оси. Со стороны первого 1 и второго 4 катодов в аноде 7 установлены магнитные экраны 9 в виде тонких дисков с центральным отверстием. Между дисками имеется зазор. Элементы источника помещены в вакуумную камеру 10 из нержавеющей стали. Снаружи на камеру 10 надета соленоидальная катушка 11.

Протонный импульсный источник с катодным конусом работает следующим образом.При подаче на анод 7 положительного потенциала в несколько сотен вольт по оси источника возникает тлеющий разряд типа Пеннинга. За счет углублений в магнитных полюсах продольное относительно оси источника магнитное поле на оси оказывается меньше, чем на периферии. Благодаря этому возникает дрейф к оси осциллирующих электронов, что приводит к повышению плотности разряда по оси источника.

Ионы разряда, бомбардируя острие катодного конуса, интенсифицируют на острие условия возникновения катодных пятен, что обеспечивает переход слаботочного тлеющего разряда к неоднородному сильноточному разряду с высокой интенсивностью по оси и с высокой стабильностью положения канала разряда относительно отверстия эмиссии. При этом внутри анодного отверстия неосевые осциллирующие электроны оказываются в зоне сильного поперечного магнитного поля анодных магнитов, что приводит к дрейфу этой группы электронов к оси при сложном удлинении их пути, что в конечном счете еще больше интенсифицирует разряд по оси источника.

Экспериментальная проверка показала, что при введении постоянных магнитов в анод канал разряда сжимается с диаметра,равного 10 мм, до диаметра, равного 6 мм. Можно поэтому предположить, что ионный ток через отверстие эмиссии увеличится в 2,5 раза.

Магнитные экраны 9 позволяют исключить проникновение поперечного магнитного поля со стороны торцов постоянных магнитов анода в зазоры между катодами 1 и 4 и анодом 7. Это позволяет исключить возникновение интенсивного прямого разряда между анодом и катодами.

Использование заявляемого технического решения найдет применение на протонных ускорителях, где необходимо работать при частоте посылок ионных импульсов в десятки и сотни герц при токах ионных импульсов более 140 •10^-3 А.

Использование: в ускорительной технике. Сущность изобретения: увеличена плотность разряда по оси ионного источника за счет сжатия канала разряда с помощью постоянных магнитов, вмонтированных в тело анода вокруг отверстия в аноде. 1 ил.

Протонный импульсный источник с катодным конусом, состоящий из соленоидной катушки, надетой на немагнитную вакуумную камеру, внутри которой помещен первый магнитный полюс с центральным углублением, первого катода из нержавеющей стали в виде плоского диска с центральным углублением в виде стакана, на дне которого закреплен конус из тугоплавкого металла с углом раствора 60^o, анода в виде цилиндра с отверстием, второго катода в виде плоского диска с центральным углублением, на дне которого расположено отверстие эмиссии, отличающийся тем, что в аноде размещены стержни постоянных магнитов, образующих внутри анода области с поперечным магнитным полем относительно оси анода, а внутри анода напротив катодов установлены магнитные экраны в виде пакетов дисков из магнитного материала с зазорами между дисками.