ДУОПЛАЗМАТРОН С МАЛЫМ ПОТОКОМ ГАЗА НА ВЫХОДЕ Российский патент 2001 года по МПК H01J27/10 H01J3/04 H01J37/08 H05H7/00 

Изобретение относится к источникам заряженных частиц и применяется в области ускорительной техники.

Аналогом изобретения является ионная пушка с высокой яркостью пучка [1]. Недостатком является зависимость величины газового потока на выходе пушки от рабочего давления газа в камере ионизации.

Прототипом изобретения является импульсный дуоплазматрон [2], состоящий из разрядной камеры, катода, промежуточного электрода, электромагнита, анода с каналом эмиссии заряженных частиц, перекрытого подвижной металлической заслонкой, которая открывается только на время выпуска тока пучка. K недостаткам прототипа относится то, что источник с заслонкой на выходе не может использоваться для получения непрерывного пучка.

Целью изобретения является уменьшение потока газа на выходе дуоплазматрона при генерации непрерывного пучка заряженных частиц.

Поставленная цель достигается тем, что в дуоплазматрон с малым потоком газа на выходе, состоящий из разрядной камеры, катода, промежуточного электрода, электромагнита, анода с каналом эмиссии заряженных частиц, дополнительно введен канал откачки, одним концом соединенный с каналом эмиссии заряженных частиц, другим - с вакуумным насосом, а вход канала эмиссии заряженных частиц со стороны катода выполнен в виде конуса. В результате предложенных изменений отсутствует заслонка, перекрывающая канал эмиссии заряженных частиц, а поток неионизированного газа на его входе приобретает составляющую скорости по направлению, отличную от аксиальной оси источника, вдоль которой производится экстракция тока пучка, отклоняется от нее, попадает в канал откачки, имеющий большую газовую проводимость, чем канал эмиссии заряженных частиц, и удаляется вакуумным насосом.

Таким образом, в дуоплазматроне в результате предложенных конструктивных изменений - выполнения входа канала эмиссии заряженных частиц со стороны катода в виде конуса и введения дополнительного канала откачки, соединенного именно предложенным способом, появляются новые физические свойства. А именно, выход ионного источника ничем не перекрывается, и становится возможным эффект разделения по направлению движения двух различных потоков в канале эмиссии заряженных частиц потока носителей заряда и потока неионизированного газа с последующим удалением последнего вакуумным насосом через канал откачки.

Широко известны дуоплазматронные источники заряженных частиц, у которых уменьшение потока балластного газа на выходе достигается снижением рабочего давления в области ионизации или перекрыванием канала эмиссии. Источников, у которых это достигается путем разделения направлений движения в канале эмиссии заряженных частиц двух потоков, потока носителей заряда и потока неионизированного газа с последующей откачкой последнего, не обнаружено.

Анализ отличительных существенных признаков и проявленных благодаря им свойств, связанных с достижением положительного эффекта, позволяет считать, что заявленное техническое решение соответствует критерию "существенные отличия".

На чертеже показан дуоплазматрон с малым потоком газа на выходе, состоящий из разрядной камеры 1, катода 2, промежуточного электрода 3, электромагнита 4, анода 5, конуса 6, канала эмиссии заряженных частиц 7, канала откачки 8, вакуумного насоса 9.

Источник работает следующим образом. Электрический разряд в разрядной камере 1 горит между катодом 2, промежуточным электродом 3 и анодом 5. Плазма на выход дуоплазматрона поступает через канал эмиссии заряженных частиц 7. Электромагнит 4 формирует магнитное поле, контрагирующее плазму в области промежуточный электрод-анод. Все происходит в соответствии с широко известным процессом работы дуоплазматрона. В прототипе и аналоге неионизированный газ из разрядной камеры 1 через канал эмиссии заряженных частиц 7 поступает на выход источника и нагружает ускоряющую структуру, ухудшая ее работу. При широко известном режиме работы дуоплазматрона с безнакальным катодом, характеризующимся давлением газа в источнике 1-2 торр и диаметром канала эмиссии порядка 1,5-2,0 мм [3], величина газового потока из источника, работающего в режиме генерации непрерывного пучка, составляет несколько сотен тысяч Па•л/с, что совершенно неприемлемо для эффективного ускорения тока ионов. В предложенном изобретении это значение потока уменьшается следующим образом. Трубки тока балластного газа, двигаясь вдоль стенок конуса 6 (см. чертеж), приобретают направление движения, при котором они входят в канал эмиссии заряженных частиц 7 по траекториям, имеющим различные углы наклона к центральной аксиальной оси источника, вдоль которой производится экстракция заряженных частиц тока пучка. На участке канала эмиссии 7 за точкой фокуса, определяемой геометрией входного конуса 6, газовый поток образует расходящийся конус, что препятствует прямому пролету молекул нейтрального газа через этот канал на выход источника. В результате искусственно сформированного направления движения большинство молекул, попадая в канал откачки 8, удаляются вакуумным насосом 9. На заряженные же частицы плазмы действует электрическое поле со стороны ускоряющих электродов, которое задает их направление движения вдоль центральной аксиальной оси источника. Поскольку канал эмиссии заряженных частиц 7 имеет меньшую проводимость газового потока, чем канал откачки 8, то, при оценке возможной прозрачности анода для молекул газа, величина потока Q из разрядной камеры источника через канал эмиссии для вязкостного режима течения струи через малую диафрагму рассчитывается согласно [4]

где P - давление газа в источнике, F - площадь апертуры канала эмиссии 7 (см. чертеж), τ - отношение давлений на концах этого канала, К - показатель адиабаты, M - молекулярная масса газа, T - температура газа, R - универсальная газовая постоянная.

Значение газового потока, который можно удалить через канал откачки 8 при вязкостном режиме течения для длинного трубопровода, согласно [4]

где r - радиус канала откачки 8 (см. чертеж), P₁ и P₂ - давление газа на концах этого канала, L - его длина, η - динамическая вязкость газа. Сравнение выражений (1) и (2) показывает, что при соответствующем выборе величин (F, r, L) отношение газового потока в канале эмиссии заряженных частиц 7 к потоку, удаляемому через канал откачки 8, может приближаться к 1 с желаемой точностью, делая анод непрозрачным для газа.

Оптимизированная предложенным образом конструкция анода ИИ позволяет откачивать подавляющую часть неиспользованного в разряде рабочего газа насосом, и тем уменьшает интенсивность потока нейтралов на выходе дуоплазматрона. Эксперименты показали, что конструкция дуоплазматрона, имеющая диаметр канала эмиссии заряженных частиц 1 мм при рабочем давлении водорода в разрядной камере 2 торр и откачке газа всего со скоростью 8 л/с через шестимиллиметровый канал 8 (см. чертеж), позволила уменьшить величину газового потока, натекающего в наружный объем из дуоплазматрона, по сравнению с вариантом, при котором насос 9 был выключен, в 4 раза.

Поскольку в изобретении диаметр канала эмиссии заряженных частиц не изменяется, а величина натекания из источника регламентируется эффективностью откачки балластного газа через канал 8, то становится возможным регулировать натекание газа из источника, не изменяя значения рабочего давления в разрядной камере. Таким образом, сохраняется неизменным рабочий режим дуоплазматрона и не происходит ухудшения величины тока и качества пучка на выходе ионного источника. В предлагаемом изобретении, в отличие от прототипа, отсутствуют движущиеся механические части клапанной заслонки в аноде, перекрывающей выход из источника. Это позволяет использовать его в широком частотном спектре импульсной генерации тока пучка при генерации сгустков ионов с малой скважностью, вплоть до получения непрерывного пучка заряженных частиц. Этим же определяется высокая надежность источника при эксплуатации и его большой срок службы. Известны преимущества использования безнакальных катодов, по сравнению с накаливаемыми, при получении непрерывного тока пучка в дуоплазматронах, резко повышается срок службы катода и снижается энергоемкость источника. Но работа с холодными катодами требует поддерживать давление газа в источнике на уровне нескольких торр, что препятствует их применению в непрерывном режиме генерации. Предлагаемое изобретение снимает это препятствие. Источник заряженных частиц становится более удобным и простым в эксплуатации.

Список литературы
1. Куторга Н.Н., Севастьянова В.С., Тепляков В.А. Ионная пушка с высокой яркостью пучка. Сборник трудов Второго всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц. 1972. С. 88-90.

2. Авторское свидетельство 431576, 1974. Импульсный источник ионов (Баталин В.А.) Бюллетень ОИПТЗ, N 21, 1975.

3. Капчинский И.М. и др. Разработка новых узлов и эксплуатация линейного ускорителя И-2. Препринт N 10, М., ИТЭФ, 1975.

4. Фролова Е.С. Справочник по вакуумной технике. М., 1985. С. 22-53.

Изобретение относится к источникам заряженных частиц и применяется в ускорительной технике. Техническим результатом является уменьшение потока газа на выходе дуоплазматрона при генерации непрерывного пучка заряженных частиц. В дуоплазматрон, состоящий из разрядной камеры, катода, промежуточного электрода, электромагнита, анода с каналом эмиссии заряженных частиц, дополнительно введен канал откачки, одним концом соединенный с каналом эмиссии заряженных частиц, другим - с вакуумным насосом, а вход эмиссии заряженных частиц со стороны катода выполнен в виде конуса. В результате предложенных изменений отсутствует заслонка, перекрывающая канал эмиссии заряженных частиц, и появляется возможность откачивать неионизированный рабочий газ, предотвращая его выход из источника. Наличие конуса на входе канала эмиссии способствует тому, что поток неионизированного газа приобретает составляющую скорости по направлению, отличную от направления, вдоль которого производится экстракция тока пучка заряженных частиц. Отклоняясь от него, газ попадает в канал откачки, имеющий большую газовую проводимость, чем канал эмиссии заряженных частиц, и удаляется вакуумным насосом. 1 ил.

Дуоплазмотрон с малым потоком газа на выходе, состоящий из разрядной камеры, катода, промежуточного электрода, электромагнита, формирующего магнитное поле, контрагирующее плазму в области промежуточный электрод - анод, анода с каналом эмиссии заряженных частиц, отличающийся тем, что в него дополнительно введен канал откачки, газовая проводимость которого превосходит газовую проводимость канала эмиссии заряженных частиц, одним концом соединенный с каналом эмиссии заряженных частиц, другим - с вакуумным насосом, а вход канала эмиссии заряженных частиц со стороны катода выполнен в виде конуса.