ИСТОЧНИК ИОНОВ С ЭФФЕКТОМ ПОЛОГО КАТОДА Российский патент 2004 года по МПК H01J27/10 H01J3/04 H01J37/08 

Изобретение относится к источникам ионов, применяемым на ускорителях заряженных частиц.

Аналогами изобретения являются источники ионов с безнакальными катодами, в которых имеет место эффект полого катода [1].

Прототипом изобретения является дуоплазматрон с холодным катодом [2].

Недостатками прототипа являются большое давление рабочего газа и малый ток ионов, генерируемый источником.

Целью изобретения являются уменьшение давления рабочего газа в ионном источнике и увеличение генерируемого им тока ионов.

Поставленная цель достигается тем, что в источник ионов с эффектом полого катода, состоящий из анода с отверстием эмиссии, промежуточного электрода, магнитной катушки и полого безнакального цилиндра, размещенного на катодном стержне, установлен внутри полого безнакального цилиндра дополнительный стержень из магнитопроводящего материала, длина которого меньше длины полого безнакального цилиндра, соединенный с выполненным из магнитопроводящего материала катодным стержнем таким образом, что силовые линии магнитного поля, создаваемого магнитной катушкой, проходят внутри полости безнакального цилиндра.

В результате предложенных конструктивных изменений в изобретении появляется новое физическое свойство, а именно электроны, эмиттированные стенками внутрь полости катодного цилиндра, и плазменные электроны в процессе колебательного движения поперек силовых линий магнитного поля увеличивают протяженность траекторий своего движения и удерживаются этим полем от ухода на боковые стенки катодного цилиндра, что способствует образованию более плотной плазмы в цилиндре и повышению плотности тока электронного луча, возникающего в результате эффекта полого катода [1], что позволяет увеличить эмиссионную способность катода, улучшить эффективность ионизации рабочего газа эмиттированными из него электронами, способствуя в конечном итоге уменьшению давления рабочего газа и увеличению генерируемого тока ионов в изобретении по сравнению с прототипом.

Известны конструкции дуоплазматронов, в которых для удерживания плазмы от ухода на боковые стенки разрядной камеры и повышения ионизации рабочего газа в катодной области создаются магнитные поля различной конфигурации [3, 4], но конструкций источников, в которых магнитное поле, возникающее в результате предложенных конструктивных изменений усиливает эффект полого катода, не обнаружено.

Анализ отличительных существенных признаков и проявленных благодаря им свойств, связанных с достижением положительного эффекта, а именно наличие конструктивных изменений, вызвавшее возникновение нового физического свойства, приведшее к положительному эффекту, позволяет считать, что заявленное техническое решение соответствует критерию существенные отличия.

На чертеже показан источник ионов с эффектом полого катода, состоящий из анода 1 с отверстием эмиссии 2, промежуточного электрода 3, электромагнитной катушки 4, создающей магнитное поле в области между катодом и промежуточным электродом, силовые линии которого 5 показаны на чертеже полого безнакального цилиндра 6 и дополнительного стержня 7, закрепленных на катодном стержне 8.

Как видно из чертежа, отличительной особенностью изобретения является то, что катодный стержень 8 и дополнительный стержень 7, изготовленные из магнитопроводящего материала, совместно с магнитной катушкой 4 формируют в области катод промежуточный электрод магнитное поле, силовые линии 5 которого проходят внутри полого безнакального цилиндра 6. Источник работает следующим образом. После заполнения дуоплазматрона рабочим газом и подачи электрического напряжения: на трехэлементный катодный блок (6, 7, 8), промежуточный электрод 3, анод 1, между ними зажигается электрический разряд, образуя в области анода плазму, которая для увеличения плотности контрагируется магнитным полем, создаваемым в области между анодом 1 и промежуточным электродом 3 электромагнитной катушкой 4, аналогично работе источника [2]. Заряженные частицы этой плазмы экстрагируются из источника через отверстие эмиссии 2. Известно, что величина тока в разряде и давление рабочего газа, при котором развивается и горит электрический разряд, зависят от эмиссионных свойств катода [3, 4]. В прототипе для увеличения эмиссионной способности использован безнакальный катод, выполненный в виде пустотелого цилиндра, в котором при горении электрического разряда возникает эффект полого катода [2].

При зажигании электрического разряда электроны, возникшие в результате автоэлектронной эмиссии на рабочих кромках катодного цилиндра и эмиттированные внутрь его полости, совершая колебательные движения между боковыми стенками катодного цилиндра ионизируют рабочий газ, образуя в катодной полости плазменный сгусток [1]. Электроны этого сгустка формируются в электронный луч, который в области между катодом и анодом, так же как и электроны, вырванные непосредственно из металла, ионизирует рабочий газ, повышая эмиссионную способность катода, увеличивая ток разряда и понижая рабочее давление в источнике [1]. Но в прототипе электроны, эмиттированные боковыми стенками, и электроны плазменного сгустка внутри катодного цилиндра удерживаются от ухода на его боковые стенки только разностью электрических потенциалов между плазменным сгустком и стенками катодного цилиндра, что уменьшает плотность плазмы в сгустке и эмиссионную способность катода. В прототипе электронный луч, эмиттированный катодом, в процессе движения к промежуточному электроду быстро “расплывается” относительно центральной оси источника под действием объемного заряда и столкновительных процессов, уменьшая плотность потока частиц, ионизирующих рабочий газ, что затрудняет зажигание электрического разряда, уменьшает величину тока в нем и способствует повышению давления рабочего газа в источнике ионов.

В предлагаемом изобретении наличие магнитного катодного стержня 8 и дополнительного стержня 7 позволяет сформировать между катодом и промежуточным электродом 3 магнитное поле, силовые линии 5 которого проходят внутри полого безнакального цилиндра 6, обеспечивая дополнительное удержание плазменных электронов в плазменном сгустке, образованным внутри катодного цилиндра эффектом полого катода от их ухода на боковые стенки катодного цилиндра. Это же магнитное поле увеличивает траектории движения плазменных и вырванных из металла электронов, повышая эффективность ионизации газа внутри катодной полости, что увеличивает плотность плазмы в сгустке и эмиссионную способность катода. Наличие магнитного поля, направленного от катода к промежуточному электроду вдоль продольной оси источника, чертеж, препятствует “расплыванию” электронного луча и уходу плазмы электрического разряда на боковые стенки промежуточного электрода.

Перечисленные факторы способствуют более эффективной ионизации рабочего газа и позволяют понизить уровень его давления, необходимый для устойчивого горения электрического разряда в предлагаемом изобретении по сравнению с прототипом. Кроме того, увеличение эмиссионной способности катода, обеспечивая рост плотности плазмы в районе анодного отверстия эмиссии, позволяет увеличить ток ионов на выходе источника. В изобретении уменьшен расход газа в процессе работы. Источник ионов с эффектом полого катода прост в изготовлении, надежен и удобен в работе. Будучи установлен на линейном ускорителе протонов И-2, инжекторе протонного синхротрона ИТЭФ, предлагаемый источник показал надежность в работе и соответствовал действующим требованиям инжекции пучка в ускорительный комплекс.

Источники информации

1. Москалев Б.Н. Разряд с полым катодом. М.: Мир, 1969. С. 12-65.

2. Баталин В.А., Кондратьев Б.К., Коломиец А.А. и др. Дуоплазматрон с холодным катодом. // ПТЭ, 1975, № 2. С. 21-13.

3. Баталин В.А., Кондратьев Б.К., Турчин В.И. Характеристики газового разряда в катодной камере источника протонов линейного ускорителя И-2. Препринт № 51, М.: ИТЭФ, 1981.

4. Кондратьев Б.К., Петренко С.В., Турчин В.И. Получение пучков ионов водорода большой яркости. Препринт № 90, М.: ИТЭФ, 1990.

Изобретение относится к источникам ионов, применяемым на ускорителях заряженных частиц. Техническим результатом является уменьшение давления рабочего газа в ионном источнике и увеличение генерируемого им тока ионов. Источник ионов с эффектом полого катода состоит из анода с отверстием эмиссии, промежуточного электрода, магнитной катушки и полого безнакального цилиндра, размещенного на катодном стержне. Внутри полого безнакального цилиндра установлен дополнительный стержень из магнитопроводящего материала, длина которого меньше длины полого безнакального цилиндра, соединенный с выполненным из магнитопроводящего материала катодным стержнем таким образом, что силовые линии магнитного поля, создаваемого магнитной катушкой, проходят внутри полости безнакального цилиндра. Электроды, эмитированные стенками внутрь полости катодного цилиндра, и плазменные электроны в процессе колебательного движения поперек силовых линий магнитного поля увеличивают протяженность траекторий своего движения и дополнительно удерживаются этим полем внутри катодного цилиндра, что способствует образованию более плотной плазмы в цилиндре и повышению плотности тока электронного луча, возникающего в результате эффекта полого катода. 1 ил.

Источник ионов с эффектом полого катода, состоящий из анода с отверстием эмиссии, промежуточного электрода, полого безнакального катода, выполненного в виде полого цилиндра, размещенного на катодном стержне, и магнитной катушки, создающей магнитное поле между промежуточным электродом и анодом, отличающийся тем, что внутри безнакального катода в полости его цилиндра установлен дополнительный стержень из магнитопроводящего материала, длина которого меньше длины полости цилиндра безнакального катода, соединенный с выполненным из магнитопроводящего материала катодным стержнем таким образом, что силовые линии магнитного поля, соединяемого магнитной катушкой, проходят внутри полости цилиндра безнакального катода.