УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫВОДА ЧАСТИЦ Советский патент 1998 года по МПК H05H7/00 

Изобретение относится к электронно- и ионно-лучевой технике, а именно к устройству для вывода интенсивных пучков частиц из вакуума в газовую среду повышенного давления.

Известно устройство для вывода пусков корпускулярных частиц через соосные отверстия, выполненные в стенках последовательно расположенных камер, откачиваемых отдельными вакуум-насосами [1]. Таким образом создается ступенчатое понижение давления до величины, необходимой для работы источника.

Недостаток этого и подобных устройств заключается в ограничении мощности выводимого пучка из-за оседания частиц на краях отверстий. Увеличение же диаметра отверстий приводит к необходимости увеличения производительности вакуум-насосов для обеспечения необходимого вакуума в источнике частиц, что связано с увеличением материальных и энергетических затрат.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для вывода частиц, содержащее камеру дифференциальной откачки, в которой выполнены отверстия для подсоединения к средствам вакуумной откачки и соосно расположенные входное и выходное отверстия с пролетными патрубками для выпуска частиц из области пониженного в область повышенного давления [2].

Входное отверстие, ближнее к источнику выводимых частиц, снабжено трубчатым патрубком, обращенным внутрь камеры. Второе (выходное) отверстие снабжено патрубком в виде профилированной воронки, расширяющейся внутрь камеры. В совокупности оба патрубка образуют кольцевое сверхзвуковое сопло с центральным телом. При откачке объема источника и камеры поток газа, поступающий в устройство под действием разности давлений, ограничивается входным отверстием. Истечение потока газа в пространстве между патрубками сопровождается образованием локальных мест неоднородностей плотности газа. Трубчатый патрубок располагается в области минимальной плотности газа для уменьшения потока газа, проходящего через патрубок в объем источника.

Недостатки этого устройства заключаются в ограничении диаметра и мощности выводимого через устройство пучка вследствие потерь частиц на краях отверстий. Особенно большими потерями сопровождается вывод сильноточных пучков заряженных частиц, имеющих вследствие действия объемного пространственного заряда недопустимо большой диаметр. Увеличение же диаметра отверстий сопровождается возрастанием энергетических затрат для поддержания перепада давления и необходимого вакуума в источнике. Поэтому устройства, подобные данному, могут использоваться лишь при выводе тонких слаботочных пучков сравнительно небольшой мощности.

Целью изобретения является увеличение диаметра выводимого пучка.

Указанная цель достигается тем, что в известном устройстве для частиц, содержащем камеру дифференциальной откачки, в которой выполнены отверстия для подсоединения к средствам вакуумной откачки и соосно расположенные входное и выходное отверстия с пролетными патрубками для выпуска частиц из области пониженного в область повышенного давления, патрубки выполнены в виде полых усеченных конусов, обращенных вершинами внутрь камеры, а в боковой стенке входного патрубка сделаны сквозные отверстия, при этом расстояние между патрубками h удовлетворяет выражению

где
d - диаметр отверстия при вершине выходного патрубка;
P - давление газа в плоскости среза вершины выходного патрубка;
P₁ - давление в камере вне струи;
K - показатель адиабаты газа.

На чертеже схематически изображено устройство для вывода частиц.

Устройство содержит источник 1 корпускулярных частиц и камеру дифференциальной откачки 2, снабженные индивидуальными средствами откачки. В стенках камеры выполнены соосные отверстия 3 и 4, снабженные патрубками 5 и 6 в виде полых усеченных конусов, направленных усеченной частью внутрь камеры. На концах патрубков выполнены соосные отверстия 7 и 8. В стенке патрубка 6 выполнены боковые отверстия 9.

Устройство работает следующим образом. При откачке объемов источника 1 и камеры 2 поступающий через патрубок 5 поток газа расширяется в полости камеры 2. Часть струи разворачивается у среза отверстия 7 и благодаря конической форме патрубка 5 течет в направлении, почти обратном первоначальному. В направлении патрубка 6 формируется расширяющийся сверхзвуковой поток газа, основная часть которого заключена между линиями тока. В области максимального расширения потока образуется зона минимального давления газа, приблизительно в 10 - 20 раз меньшего, чем давлением в камере 2 за пределами струи. Помещая конец патрубка 6 в область минимального давления, значительно уменьшают количества газа, поступающего в объем источника. Вследствие взаимодействия газовой струи с патрубком 6 вблизи его отверстия 8 формируется зона повышенной плотности газа в виде ударной волны с криволинейным фронтом, огибающим патрубок. В центральной части ударной волны поток претерпевает полное торможение, скорость его становится дозвуковой, а статическое давление возрастает, в несколько раз превышая давление за пределами газовой струи. Через отверстие 8 поток с этим давлением попадает в объем источника. На периферийной части ударной волны поток тормозится не полностью, сохраняя статическое давление в несколько раз меньшее чем давление за пределами струи. Вследствие разности давлений на внешней и внутренней сторонах боковой стенки патрубка через отверстие 9 часть газа удаляется из патрубка 6, что существенно уменьшает количество газа, попадающего в источник частиц. При имеющихся средствах откачки для сохранения прежнего давления в объеме источника оказывается возможным увеличение диаметров отверстий 7 и 8 в патрубках, что позволяет увеличить диаметр пучка, проходящего через эти отверстия.

Коническая форма патрубка 6 способствует сохранению сверхзвукового течения на его внешней стороне, обеспечивающего удаление газа через отверстие 9, и позволяет выполнить конически полой внутреннюю часть патрубка 6 с целью уменьшения оседания пучка на его внутренней стенке. Коническая форма патрубка 5 обеспечивает свободное расширение потока. Это способствует расположению области минимального давления ближе к торцу патрубка 5, что позволяет приблизить торцы патрубков друг к другу без изменения эффективной скорости откачки газа из камеры 2 с целью уменьшения рассеяния пучка в газе. Расстояние между патрубками, соответствующее максимальному перепаду давления через устройство, определяется расстоянием до области минимального давления свободно расширяющейся струи из выражения

где
d - диаметр отверстия 7;
K - показатель адиабаты газа;
P - давление на срезе отверстия 7;
P₁ - давление в камере 2 вне струи.

Таким образом, благодаря конической форме и взаимному расположению обоих патрубков достигается возможность уменьшения потерь пучка и увеличения его диаметра и мощности.

В конкретном случае устройство содержит в качестве источника корпускулярных частиц источник электронов на основе высоковольтного тлеющего разряда (рабочий диапазон давлений которого 2 - 10 Па), камеру 2 с соосными источнику отверстиями 3 и 4 диаметрами соответственно 30 и 20 мм, снабженными патрубками 5 и 6 в виде усеченных конусов высотой соответственно 20 и 30 мм с отверстиями 7 и 8 диаметрами по 5 мм. Расстояние между торцами патрубков составляет 40 мм. Угол между внешними образующими патрубка 5 составляет 60 ^o, патрубка 6 50^o.

Газ (воздух), находящийся за отверстием 4 и вне устройства при давлении 9,6 кПа, откачивается насосом АВМ-250 из камеры 2 до давления 53 Па и из объема электронного источника вакуум-насосом БН-5 до давления 1,62 Па. В области максимального расширения потоку соответствует число Маха М = 4,2. Статическое давление на срезе отверстия 8 патрубка 6 составляет 212 Па. На внешней образующей патрубка поток сохраняется сверхзвуковым (M = 3,5). Статическое давление в нем составляет 3,5 Па.

Изготовление четырех боковых отверстий в патрубке 6 диаметром 6 мм позволяет уменьшить давление в объеме источника от 1,62 до 1,01 Па. Для обеспечения необходимого для работы источника давления оказалось возможным увеличить диаметр отверстия 7 до 7 мм, а отверстия 8 - 10 мм.

Таким образом, в данном устройстве благодаря боковым отверстиям патрубка без увеличения производительности откачных средств оказалось возможным увеличить диаметр отверстий 7 и 8 для вывода пучка соответственно в 2 и 4 раза, что позволяет пропорционально площади отверстий увеличить мощность пуска за счет увеличения тока.

Таким образом, по сравнению с известным устройством в данном устройстве оказалось возможным увеличить площадь отверстия для вывода пучка в несколько раз без увеличения производительность откачных средств, что позволяет соответственно увеличить мощность выводимого пучка.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе.

1. Авторское свидетельство СССР N 126204, кл. H 05 B 7/00, 1960.

Патент США N 3162749, кл. 219-121, опублик. 1964.

Устройство для вывода частиц, содержащее камеру дифференциальной откачки, в которой выполнены отверстия для подсоединения к средствам вакуумной откачки и соосно расположенные входное и выходное отверстия с пролетными патрубками для выпуска частиц из области пониженного в область повышенного давления, отличающееся тем, что, с целью увеличения диаметра выводимого пучка, патрубки выполнены в виде полых усеченных конусов, обращенных вершинами внутрь камеры, а в боковой стенке входного патрубка выполнены сквозные отверстия, при этом расстояние между патрубками h удовлетворяет выражению

где d - диаметр отверстия при вершине выходного патрубка;
К - показатель адиабаты газа;
Р - давление в плоскости среза вершины выходного патрубка;
Р₁ - давление в камере вне струи.

Устройство для вывода частиц, содержащее камеру дифференциальной откачки, в которой выполнены отверстия для подсоединения к средствам вакуумной откачки и соосно расположенные входное и выходное отверстия с пролетными патрубками для выпуска частиц из области пониженного в область повышенного давления, отличающееся тем, что, с целью увеличения диаметра выводимого пучка, патрубки выполнены в виде полых усеченных конусов, обращенных вершинами внутрь камеры, а в боковой стенке входного патрубка выполнены сквозные отверстия, при этом расстояние между патрубками h удовлетворяет выражению

где d - диаметр отверстия при вершине выходного патрубка;
К - показатель адиабаты газа;
Р - давление в плоскости среза вершины выходного патрубка;
Р₁ - давление в камере вне струи.