ИСТОЧНИК С КАТОДНЫМ КОНУСОМ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ИМПУЛЬСОВ ИОНОВ ВОДОРОДА Российский патент 2004 года по МПК H01J27/04 

Использование: в ускорительной технике. Сущность изобретения: увеличение среднего ионного тока за счет повышения яркости пучка и предотвращения нагрева холодного катода, содержащего отверстие эмиссии, ускоренными электронами, путем введения магнитного экрана расширительной чаши, являющегося одновременно и токоприемником ускоренных электронов.

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано в научной деятельности и технологических процессах, в которых используются протонные пучки со средней интенсивностью тока в несколько миллиампер.

Известна конструкция протонного источника с катодной иглой [1], 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 "плавающими" потенциалами.

Недостатком прототипа является ограничение среднего ионного тока величиной 0,5 мА из-за разрушения изоляторов диафрагмы при тепловых деформациях.

Прототипом изобретения является конструкция [2], которая содержит первый холодный катод источника из нержавеющей стали. По оси источника в углублении первого катода установлен конус из тугоплавкого металла. Угол при вершине конуса составляет 60°. Расстояние от плоскости катода до вершины конуса 1 мм. Первый катод примыкает к магнитному полюсу, в центре которого имеется углубление для катода. Второй холодный катод выполнен из нержавеющей стали с центральным углублением меньшим, чем у первого катода. В центре второго катода выполнено отверстие эмиссии. Второй катод своей выступающей частью вставлен в отверстие второго магнитного полюса. Анод в виде пустотелого цилиндра с центральным отверстием выполнен из нержавеющей стали.

Внутри анода помещены постоянные магниты в виде прямоугольных стержней. Эти магниты образуют почти сплошную магнитную стенку внутри анодного отверстия с нулевым полем на оси. Со стороны первого и второго катодов в аноде установлены магнитные экраны в виде тонких дисков с центральными отверстиями. Элементы источника помещены в вакуумную камеру из нержавеющей стали. Снаружи на камеру надета соленоидальная катушка.

Недостатком прототипа является ограниченная величина среднего ионного тока, которая предположительно составляет не более 0,5 мА. Ограничение связано с высокой рабочей температурой анода, при которой происходит отжиг постоянных магнитов.

Поставленная задача достигается тем, что в протонном импульсном источнике с катодным конусом, состоящим 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°, анода в виде цилиндра с отверстием, второго катода в виде плоского диска с центральным углублением, на дне которого имеется отверстие эмиссии, второго магнитного полюса, в котором с противоположных сторон по оси выполнены два углубления, одно для второго катода, а с противоположной стороны - для расширения плазмы из ионного источника. Между углублениями в магнитном полюсе выполнена перемычка с отверстием, равным диаметру отверстия эмиссии во втором катоде.

На чертеже изображено поперечное сечение импульсного источника с катодным конусом, оно содержит первый холодный катод из нержавеющей стали 5. По оси источника в углублении первого катода установлен конус 4 из тугоплавкого металла. Угол при вершине конуса составляет 60°. Первый катод 5 примыкает к первому магнитному полюсу 3, в центре которого имеется углубление для катода 5. Второй холодный катод 7 выполнен из нержавеющей стали с центральным углублением меньшим, чем у первого катода. В центре второго катода 7 выполнено отверстие эмиссии.

Второй катод 7 своей выступающей частью вставлен в отверстие второго магнитного полюса 8. Анод 6 в виде цилиндра с кольцевым выступом выполнен из нержавеющей стали.

Протонный импульсный источник с катодным конусом работает следующим образом При подаче на анод 6 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 на 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.

Процентный состав ионного пучка зависит от величины тока в канале разряда источника. Чем выше ток разряда, тем выше протонная составляющая пучка, однако длительность стабильных условий существования разряда в ионном источнике ограничена по времени из-за процесса расширения канала разряда.

Поэтому формирование пучка с высоким процентным содержанием протонной составляющей возможно только при импульсной работе источника с импульсами длительностью в несколько сот микросекунд при частоте выше нескольких десятков герц. Введение перемычки 9 во втором магнитном полюсе 8 позволяет в сильной степени уменьшить проникающее магнитное поле в расширительной чаше. Последнее позволяет сформировать плазменную границу отбора ионов с минимальными искажениями и в конечном счете повысить яркость ионного пучка. Перемычка 9, кроме того, является токоприемником и поглотителем энергии ускоренных электронов, всегда присутствующих в канале ускорения ионов. Последнее чрезвычайно важно для сохранения эмиссионных свойств второго катода 7, т.к. в случае нагрева катода 7, выполненного из нержавеющей стали и насыщенного водородом, катод может потерять свои эмиссионные свойства.

Экспериментальная проверка работы источника проводилась при частоте импульсов 25-200 Гц, длительности импульсов 50-300 мкс и среднем ионном токе более 1 мА.

Использование заявляемого технического решения найдет применение на протонных ускорителях, где необходимо работать при среднем ионном токе выше 10 миллиампер.

ЛИТЕРАТУРА

1. Лапицкий Ю.Я. Усовершенствование электростатического инжектора синхротрона на 7 ГэВ и разработка импульсных протонных источников с большим током. Диссертация на соиск. уч. степ. к.т.н. - М., 1971, с.63 и 75.

2. Лапицкий Ю.Я. Протонный импульсный источник с катодным конусом. - Патент RU 2098883 С1.

Изобретение относится к ускорительной технике. Источник с катодным конусом содержит соленоидную катушку, надетую на немагнитную вакуумную камеру, внутри которой помещены два магнитных полюса, два катода и анод в виде цилиндра с отверстием. Второй катод своей выступающей частью вставлен в отверстие второго магнитного полюса, в котором между стенкой, содержащей эмиссионное отверстие второго катода и расширительной чашей второго магнитного полюса, выполнена перемычка из магнитного материала с отверстием диаметром, равным диаметру эмиссионного отверстия во втором катоде. Техническим результатом является уменьшение проникающего магнитного поля в расширительной чаше, последнее позволяет сформировать плазменную границу отбора ионов с минимальными искажениями и, в конечном счете, повысить яркость пучка ионов. 1 ил.

Источник с катодным конусом высокочастотных импульсов ионов водорода, 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°, анода в виде цилиндра с отверстием, второго катода в виде плоского листка с центральным углублением, на дне которого расположено отверстие эмиссии, отличающийся тем, что второй катод своей выступающей частью вставлен в отверстие второго магнитного полюса, в котором между стенкой, содержащей эмиссионное отверстие второго катода, и расширительной чашей второго магнитного полюса выполнена перемычка из магнитного материала с отверстием диаметром, равным диаметру эмиссионного отверстия во втором катоде.