ИОННЫЙ ДИОД С ВНЕШНЕЙ МАГНИТНОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ Российский патент 2006 года по МПК H05H15/00 

Изобретение относится к ускорительной технике и предназначено для генерации ионных пучков с последующим их использованием для модификации поверхности различных материалов, генерирования нейтронных вспышек и т.д.

Известны несколько различных схем ионных диодов (Патент RU 96113837, МПК 6 Н 05 Н 5/00 от 1997.11.20), в которых предварительную наработку плазмы на поверхности анода производят за счет двухимпульсного режима, электрического пробоя по поверхности диэлектрического покрытия анода (Nakagama Y., Ariyosh Т. // Rev. Sci. Justr. 1990, 61(1). Р.529-531) или инжекции газовой струи перед формированием ускоряющего импульса в диоде (Mekay P.F., Bieg К.W., Olson R.E., et al // Rev. Sci. Justr. 1990, 61(1). Р.559-561). Для подавления электронной компоненты полного тока в ускоряемом промежутке ионного диода создают поперечное магнитное поле относительно вектора напряженности электрического поля.

К недостаткам этих устройств относится то, что повторяемость и стабильность параметров генерируемого ионного пучка от импульса к импульсу определяется однородностью инжекции газовой струи относительно поверхности анода или однородностью образования плазмы при поверхностном пробое диэлектрика анода, требуется синхронизация во времени многих процессов и исполнительных механизмов, что снижает надежность этих устройств.

Наиболее близким к заявляемому устройству является выбранный нами за прототип ионный диод с внешней магнитной изоляцией, описанный в (Davis H.A., Johnston G.P., Olson J.С. et. al. // Appl. Phys. 1999, vol.85(2). Р.713-721), состоящий из двух концентрических катушек, которые расположены у поверхности кольцевого анода. В скрещенном магнитном и электрическом полях электроны в предварительно образованной плазме совершают замкнутый дрейф параллельно поверхности анода, а ионы ускоряются в промежутке диода на небольшом участке ларморовой окружности, и в последующем пространстве дрейфа образуют кольцевой ионный пучок.

Недостатком данного ионного диода является неоднородность образованной плазмы в радиальном сечении диода и значительная локальная эрозия поверхности диэлектрика по краям анода т.к. плазма на поверхности диэлектрика образуется в основном за счет скользящего разряда, инициируемого при бомбардировке диэлектрической вставки анода электронами, эмитированными с острых краев катодных колец. КПД прототипа не превышает 15-25%. Кроме того, при данном способе плазмообразования требуются дополнительные меры по обеспечению повышенной точности установки диодного зазора для обеспечения однородности плазмы в азимутальном направлении.

Основным техническим результатом изобретения является повышение стабильности генерируемых импульсов ионного тока за счет более равномерного плазмообразования на поверхности анода и увеличение КПД преобразования электрической энергии, запасенной в накопителе, в кинетическую энергию ионного пучка. Предложенный ионный диод позволяет по сравнению с прототипом увеличить КПД не менее чем до 60%.

Технический результат предложенного решения достигается тем, что в ионном диоде с внешней магнитной изоляцией, содержащем кольцевой анод и цилиндрические катоды, две концентрические согласно включенные катушки, размещенные за внешним и внутренним радиусами цилиндрических катодов, и импульсные источники питания, согласно предложенному решению эмиссионная поверхность анода снабжена кольцевыми канавками с диэлектрическим покрытием или диэлектрическими вставками, анод выполнен из высокопроводящего материала, а числа витков в обмотках W₁ и W₂ и центры радиусов их ампервитков R₁ и R₂ расположены симметрично относительно эмиссионной поверхности анода и соотносятся как W₁·R₁=W₂·R₂.

Кроме того, поверхность анода с диэлектрическим покрытием образует сферическую поверхность с центром на оси симметрии ионного диода и содержит больше двух концентрических катушек, равномерно распределенных вдоль эмиссионной поверхности анода.

Целесообразно цилиндрические катоды снабжать короткозамкнутыми витками из материала с высокой электропроводностью, причем за короткозамкнутыми витками расположена сетка или радиально стоящие пластины по сечению ионного пучка.

Пример конкретного выполнения

На фиг.1 приведено осевое сечение конического ионного диода с внешней магнитной изоляцией, на фиг.2 - осевое сечение сферического ионного диода, на фиг.3 - ход силовых линий магнитного поля без проводящих короткозамкнутых магнитных витков (экранов) и при их наличии, а также распределение силовых линий электрического поля при отсутствии облака электронов и его наличии в анод-катодном промежутке, на фиг.4 - приведены эпюры напряжения и токов, на фиг.5 - фотография катодного узла со стороны анода.

Ионный диод (фиг.1) состоит из кольцевого анода 1, который выполнен из материала с высокой электрической проводимостью: меди, алюминия; кольцевой анод 1 снабжен кольцевыми канавками, залитыми диэлектриком 2, образующим эмиссионную поверхность ионного диода, кольцевой анод 1 с кольцевым электродом 3 крепится к высоковольтному электроду 4 ускорителя. Напротив кольцевого анода расположены катоды: внешний 5 и внутренний 6, выполненные из материала с большим удельным сопротивлением: титана, нихрома, нержавеющей стали. Внешний катод 5 крепится к опорному диску 7, а внутренний 6 с помощью шпилек 8 и короткозамкнутого кольца 9, диска 10 из хорошо проводящего материала также крепится к опорному диску 7.

Катушки для создания магнитного поля: внешняя 11 и внутренняя 12 расположены в диэлектрических каркасах 13 и 14. Вывод обмотки внутренней катушки 12 имеет контакт с катодом 6, а другой вывод обмотки через полую шпильку 8 подключен к обмотке внешней катушки 11, второй вывод которой идет к импульсному источнику питания, ток которого создает магнитное поле. Ионный диод помещен в вакуумную камеру 15, относительно которой крепится опорный диск 7 и обеспечиваются цепи токов катодов 5, 6. На короткозамкнутом кольце 9 устанавливается сетка 16 с высокой геометрической прозрачностью, которая перекрывает сечение ионного пучка. На фиг.1 дополнительно обозначено: Z - ось симметрии ионного диода; Z₁ - оптическая ось ионного пучка, R₁, R₂ - радиусы центров ампервитков обмоток катушек 11 и 12; d - положение кромки катода 5 относительно эмиссионной поверхности анода 1; F₀, F₁, F₂, F₃ - фокусные расстояния; α - угол при вершине конуса, образуемого ионным пучком.

При применении сферического ионного диода (фиг.2) оптическая ось ионного пучка направлена по радиусу R и фокус F₀ выражен в точку на оси Z, а поверхность анода имеет сферическую форму. Для формирования более равномерной плотности линий магнитного поля вдоль сферической поверхности анода в плоскости симметрии R устанавливается дополнительная катушка в слабопроводящих экранах - катодах или несколько катушек симметрично относительно плоскости симметрии R ионного пучка. Этим обеспечивается большая площадь эмиссионной поверхности и равномерность распределения плотности тока по сечению генерируемого ионного пучка.

На фиг.3 показан ход силовых линий магнитного поля 17 (пунктирные линии) катушек 11, 12 в свободном от проводящих поверхностей пространстве, а при наличии проводящего анода и короткозамкнутых витков 9, 10 силовыми линиями 18. Пунктирными линиями 19 показано распределение силовых линий напряженности электрического поля при отсутствии электронного облака, а сплошными линиями 20 - при наличии электронного облака дрейфующих электронов 21 (заштрихованная область) между силовыми линиями магнитного поля 18. 22 - следы дрейфующих электронов на диэлектрике каркаса 13, 14 катушек 11, 12. Кружками 23 показано направление токов в катушках 11,12, а 24 - в теле анода 1 и короткозамкнутых кольцах 9, 10. V_i - направление скорости ионов.

На фиг.4 приведены эпюры напряжения на аноде 25 и токов: 26 - общего тока ускорителя, 27 - ионного тока диода. Кривой U_xx показан потенциал анода в режиме холостого хода.

Принцип работы ионного диода с внешней магнитной изоляцией следующий: на последовательно согласно включенные катушки 11 и 12 подается импульс напряжения, например, путем разряда емкости. При достижении величины тока в катушках 11, 12, достаточной для обеспечения условия

Δ≤d_A-K,

где Δ - толщина слоя, в котором электроны движутся при наличии скрещенных электрического и магнитного полей,

d_A-K - зазор между анодом и катодом;

подается импульс высокого напряжения на анод от высоковольтного генератора ускорителя.

Величина А определяется из выражения:

где Δ - толщина электронного слоя,

m_e - масса электрона,

В - индукция магнитного поля в области дрейфа,

E_⊥ - напряженность электрического поля,

V_II - составляющие скорости электрона в направлении векторов В и E_⊥ в момент инжекции из взрывоэмиссионной плазмы.

В момент времени t₁ происходит взрывная эмиссия с острых кромок катодов 5, 6 и электроны взрывоэмиссионной плазмы начинают дрейфовать в плоскости силовых линий магнитного поля 18 параллельно поверхности кольцевого анода 1. Ток ионного диода до момента времени t₂ имеет только емкостную составляющую, связанную с накоплением заряда в электронном облаке 21, напряжение на кольцевом аноде 1 повышается в условиях, близких к холостому ходу ускорителя (импеданс нагрузки значительно превышает выходное волновое сопротивление высоковольтного генератора ускорителя). Напряженность электрического поля растет и увеличивается толщина Δ слоя дрейфующих электронов. Электроны движутся в слое, параллельном кольцевому аноду 1, со средней скоростью V=Е_⊥/В по циклоидам, вершины которых направлены в сторону эмиссионной поверхности кольцевого анода 1, и в момент времени t₂ начинают касаться диэлектрика и кольцевых выступов металла кольцевого анода 1, нарабатывая плазму. Чередование областей диэлектрика и металла при наличии кольцевых канавок на поверхности анода на пути дрейфа электронов способствует более однородному плазмообразованию по всей поверхности кольцевого анода 1. При этом скорость электронов направлена по касательной к поверхности кольцевого анода 1 и равна 2V.

В интервале времени t₃-t₂ генератор ускорителя нагружается током ионов, которые также начинают дрейфовое движение со скоростью V=Е_⊥/В, но при этом их ларморовый радиус в m_i/m_e раз больше, чем у электронов. В промежутке d, который является расстоянием от поверхности кольцевого анода 1 до центра тяжести заряда дрейфующих электронов, происходит ускорение ионов. Направление дрейфовой скорости ионов такое же, как и у электронов, но направления отклонения вершин циклоид ионов и электронов противоположны, и ускорение ионов происходит практически по силовым линиям электрического поля 19 на небольшом отрезке кривой, описываемой ларморовым радиусом ионов.

Появление тока переноса в ионном диоде вызывает падение напряжения на внутреннем сопротивлении импульсного источника питания, напряжение 25 перестает расти, электроны не достигают поверхности кольцевого анода 1 и диодный промежуток, образованный поверхностной плотностью положительных зарядов на кольцевом аноде 1 и объемной плотностью электронов в области толщиной Δ, загружается только ионным током с плотностью согласно

где

ε₀=8,85·10^-12 Ф/м;

е - элементарный заряд (заряд электрона),

m_i - масса иона,

Z - кратность ионизации,

U - потенциал анода,

d - ускоряющий промежуток.

Таким образом, образуется жесткая отрицательная обратная связь между количеством нарабатываемых ионов и импедансом высоковольтного источника.

При уменьшении ионного тока потенциал анода снова возрастает, так как уменьшается падение напряжения на внутреннем сопротивлении высоковольтного генератора ускорителя, электроны снова начинают достигать анода и нарабатывать ионы и т.д. При прохождении электронного облака ионы захватывают электроны, компенсируют свой заряд и движутся в дальнейшем по баллистической траектории. В среднем влияние магнитного поля в предлагаемом диоде скомпенсировано, так как заряженные частицы проходят силовые линии магнитного поля со скоростью V_i в разных направлениях, фиг.3.

Электроны в электронном облаке 21 захватываются ионным пучком, часть электронов из облака, расталкивающегося собственным объемным зарядом, стекает по силовым линиям магнитного поля 18, осаждается на диэлектрик 13, 14 (поверхность 22) и стекает на заземленные экраны 9, 10. В течение длительности импульса высокого напряжения от генератора ускорителя электроны в дрейфующем облаке 21 восполняются за счет взрывной эмиссии с острых кромок катодов 5, 6, обращенных к кольцевому аноду 1.

За экранами, которыми являются короткозамкнутые кольца 9, 10, магнитное поле катушек 11, 12 практически отсутствует. С целью полной компенсации объемного заряда ионного пучка устанавливается заземленная сетка 16 высокой прозрачности или металлические пластины. За счет потери части пучка ионов из материала сетки выбиваются электроны (примерно 15-30 электронов на один «погибший» ион) и происходит полная компенсация объемного заряда ионного пучка в области, свободной от внешних электрических и магнитных полей, что позволяет иметь баллистическую фокусировку ионного пучка в фокусе F₀.

В ионном диоде, (фиг.1), для обеспечения хода силовых линий параллельно поверхности анода 1 необходимо, чтобы векторный магнитный потенциал катушек 11 и 12 был равным относительно оси Z₁ и эмиссионной поверхности анода 1, что выполняется, если числа витков W₁ и W₂ в обмотках 11 и 12 и центры их ампервитков R₁, R₂, расположенных симметрично относительно эмиссионной поверхности анода, соотносятся как W₁·R₁=W₂·R₂. В этом случае в фокусах F₀, F₁, F₂ будет сплошной ионный пучок с равномерной плотностью тока по сечению пучка. Причем плотность тока в фокусе F₀ максимальна и достигает значения где j - плотность тока согласно (2), S_a - площадь эмиссионной поверхности анода, равная с наружным радиусом R_H и внутренним R_B, S₀ - площадь пятна в фокусе. Размещая в фокусе F₀ требуемый материал, можно испарять его ионным пучком и получать абляционную плазму (Zakoutaev A.N., Remnev G.E., Ivanov Yu.F., Arteyev M.S., Matvienko V.M., and Potyomkin A.V. High-rate deposition of thin films by high-intensity pulsed ion beam evaporation. // В сб. «Film Synthesis and Growth Using Energetic Beams», edited by H.A.Atwater, J.T.Dickinson, D.H.Lowndes, and A.Polman - Mater. Res. Soc. Proc., 388, Pittsburgh, PA, 1995, p.388-392.), при осаждении которой на поверхностях, укрепленных на короткозамкпутом диске 10, образуются тонкие пленки испаряемого материала при высокой импульсной скорости осаждения. Помещая детали на большем расстоянии, чем F₂, F₃, для обеспечения меньшей, чем в фокусе, плотности ионного тока, производят модификацию поверхности изделий: упрочнение, формирование определенного рельефа, фазового и дефектного состояния поверхностного слоя материалов, очистку от загрязнений и пленок и т.д. (Ремнев Г.Е., Погребняк А.Д., Исаков И.Ф. и др. Повышение эксплуатационных характеристик сплавов под действием мощных ионных пучков. // Физика и химия обработки материалов, 1987, в.6, с.4-11; Ремнев Г.Е., Тарбоков В.А., Кузнецов П.В. Структурно-фазовые изменения в поверхностном слое твердосплавного инструмента при воздействии мощного ионного пучка // «Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах». Труды III международной конференции. Томск, Россия, 2002. - С.369-370).

В сферическом ионном диоде с внешней магнитной изоляцией, фиг.2, наряду с баллистической фокусировкой используется электростатическая фокусировка непосредственно в ускоряющем промежутке, и в фокусе F₀ плотность ионного тока может быть повышена в 10²-10³ раз по сравнению с (2). В фокусе F₁, фиг.2, можно обеспечивать модификацию поверхности цилиндрических деталей, например обрабатывать режущие кромки фрез, резьбовые соединения труб, или удалять отработавшие ресурс различные функциональные покрытия, в том числе особо стойкие и жаропрочные (Шулов В.А., Ночевная Н.А., Ремнев Г.Е., и др. Ионно-лучевая технология ремонта лопаток компрессора ГТД с использованием мощных ионных пучков наносекундной длительности. // Авиационная промышленность, 1993, №2, с.14-22).

Если в качестве диэлектрика 2 использовать полиэтилен, у которого водород замещен дейтерием, то произойдет получение ионного пучка дейтерия, который можно использовать для генерации нейтронных вспышек на мишени из трансурановых элементов или перенасыщенных нейтронами ядрах, например бериллий , а помещая в фокусе F₀ дейтерий-тритивые мишени, иметь нейтроны термоядерного синтеза.

Рассмотренный выше ионный диод с внешней магнитной изоляцией по схеме фиг.1 при потенциале на аноде 400 кВ, с выходным волновым сопротивлением источника напряжения ускорителя 40 Ом, длительности импульса 60 нс, обеспечивал КПД формирования ионного пучка более 60% от энергии, запасенной в формирующей линии ускорителя (наносекундном генераторе). При площади анода 80 см² (R_H=80 мм, R_B-55 мм) в фокусе F₀ при угле α=60° и диаметре пучка в фокусе 4 см получена плотность ионного тока 600 А/см². На создание внешнего магнитного поля требовалась энергия 300 Дж, что обеспечивал емкостной накопитель емкостью 20·10^-6 Ф при напряжении 6 кВ. При этом в свободном от проводящих поверхностей анода 1 индукция магнитного поля 17, фиг.3, была более чем в два раза ниже, чем при наличии анода 1, и силовые линии магнитного поля 18 располагались параллельно эмиссионной поверхности анода.

На фиг.5 приведена фотография катодного узла со стороны анода после более чем 10³ срабатываний с параметрами, указанными выше. Отчетливо виден след 22 от выталкиваемых электронов из облака 21 на поверхности диэлектрика 13. Второй след 22 с кромки катода 5 минует диэлектрик 14 и попадает на опорный диск 7 согласно ходу силовых линий магнитного поля.

Таким образом, повышение стабильности тока генерируемых импульсов и КПД преобразования электрической энергии в кинетическую энергию ионного пучка свыше 60% достигается за счет повышения однородности плазмообразования и жесткой обратной связи между величиной электронной компоненты полного тока в ионном диоде при наработке плазмы симметрично по всей эмиссионной поверхности анода и подавления электронной компоненты полного тока диода в ускоряющем зазоре в процессе ускорения ионов. Это позволяет исключить дополнительные схемы и устройства для предварительной наработки плазмы и обеспечить наиболее благоприятные условия для выполнения «закона 3/2» (1) - т.е. для заданного потенциала U иметь наименьшую величину ускоряющего зазора d путем его регулирования величиной и скоростью нарастания магнитного поля от одного источника, используя индуцированные токи в теле анода и короткозамкнутых экранах.

Изобретение относится к области ускорительной техники. Сущность изобретения: ионный диод с внешней магнитной изоляцией содержит кольцевой анод и цилиндрические катоды, две концентрические согласно включенные катушки, размещенные за внешним и внутренним радиусами цилиндрических катодов, и импульсные источники питания. Эмиссионная поверхность анода снабжена кольцевыми канавками с диэлектрическим покрытием или диэлектрическими вставками. Анод выполнен из высокопроводящего материала, а числа витков в обмотках W₁ и W₂ и центры радиусов их ампервитков R₁ и R₂ расположены симметрично относительно эмиссионной поверхности анода и соотносятся как W₁·R₁=W₂·R₂. Преимущества изобретения заключаются в повышении стабильности генерируемых импульсов. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Ионный диод с внешней магнитной изоляцией, содержащий кольцевой анод и цилиндрические катоды, две концентрические согласно включенные катушки, размещенные за внешним и внутренним радиусами цилиндрических катодов, и импульсные источники питания, отличающийся тем, что эмиссионная поверхность анода снабжена кольцевыми канавками с диэлектрическим покрытием или диэлектрическими вставками, анод выполнен из высокопроводящего материала, а числа витков в обмотках W₁ и W₂ и центры радиусов их ампервитков R₁ и R₂ расположены симметрично относительно эмиссионной поверхности анода, и соотносятся как

W₁·R₁=W₂·R₂.