Способ удаления неиспользуемого компонента пучка быстрых частиц водорода в устройствах для преобразования зарядового состояния ионных пучков Советский патент 1985 года по МПК H01J21/00 

Э)

О М

СР Изобретение относится к области ядерной физики и может быть реализо ,вано в устройствах для преобразован зарядного состояния пучков ионов, «апример в инжекторах нейтралов или отрицательных ионов водорода. Известен способ удаления неиспол зуемого компонента пучка быстрых частиц водорода в перезарядных исто никах отрицательных ионов водорода или инжекторах нейтралов путем отка ки вакуумными насосами молекулярног водорода, десорбирующего в вакуумный объем с поверхности токоприемни неиспользуемого компонента пучка быстрых частиц водорода lj , В указанных устройствах в област высокого вакуума после перезарядной мишени попадает поток ускоренных частиц водорода различнор зарядности (быстрые атомы, отрицательные и-положительные ионы водорода), из которого в дальнейшем с помощью магнитного сепаратора выделяется для использования компонент требуе мой зарядности, остальные компоненты не используются и являются паразитными. В инжекторах нейтралов неиспользуемым компонентом являются положительные ионы, а в источниках отрицательных ионов - быстрые нейтралы водорода. Поток молекулярного водорода с тепловыми скоростями, десорбирующий в вакуумный объем после термализации потока быстрых частиц водорода на поверхности токоприемника неиспользуемого компо нента, в ряде случаев может быть очень большим. Оценки показывают, что при получении пучка ионов Н с током 1А путем перезарядки протонов на натриевой мишени поток молекулярного водорода за счет газовыделения с токоприемника нейтралов составляет 0,8 лтор/с. Для отка ки таких потоков при давлениях л- 10 Па требуется скорость откачки вакуумных насосов (например, криогенных панелей) на уровне сотен тысяч л/с. Поскольку в термоядерных установках требуются пучки ионов Н с интенсивностью десятки и сотни ампер, то откачка выделяющихся газов с токоприемника нейтралов водорода с помощью обычных вакуумных насосов, приводит к значительному увеличению габаритов и стоимости инжектора отрицательных ионов водорода. Наиболее близок к изобретению способ удаления неиспользуемого компонента пучка быстрых частиц водорода, заключающийся в химическом связывании быстрых частиц водорода с атомами жидкого щелочного металла. Способ включает орошение рабочей поверхности токоприемника неиспользуемого компонента быстрых частиц водорода и герметизацию на ней этого компонента (2. При орошении рабочей поверхности токоприемника жидким щелочным металлом (например, натрием) на поверхности токоприемника создается текущая пленка натрия. Взаимодействие быстрых частиц водорода с пленкой жидкого натрия приводит к химическому связыванию частиц водорода с атомами натрия в гидрид натрия, который вместе с натрием стекает в систему циркуляции натрия в устройстве. Таким образом достигается удаление неиспользуемого компонента пучка быстрых частиц водорода из Вакуумной системы устройства, т.е. уменьшается газовая нагрузка на вакуумную систему. Однако существующий способ не позволяет с высокой эффективностью удалять неиспользуемый компонент пучка быстрых частиц водорода, поскольку не вся рабочая поверхность токоприемника покрывается пленкой жидкого щелочного металла из-за образования на металлической поверхности токоприемника участков, которые не смачиваются щелочным металлом (окисных пленок, масляных пленок, обусловленных выносом паров масла из диффузионных вакуумных насосов и прочих загрязнений). Частичное окисление металлической поверхности токоприемника неизбежно из-за наличия кислорода в остаточной атмосфере вакуумного объема устройства при обычных рабочих давлениях 10 --10 Па. В результате на рабочей поверхности токоприемника появляются участки, не смоченные жидким щелочным металлом. При бомбардировке этих участков пучком быстрых частиц водорода водородные частицы термализуются и десорбируют в объеме в виде молекулярного газа, что приводит к понижению эффективности удаления быстрых частиц водорода из вакуумного объема устройства. Целью изобретения является повы- ., шение эффективности удаления.

Цель достигается тем, что при удалении неиспользуемогокомпонента пучка быстрых частиц водорода в устройствах для преобразования щелочно-зарядового состояния ионных пучков способом, включающим орошени рабочей поверхности токоприемника неиспользуемого компонента жидким щелочным металлом, производят орошение жидким щелочным металлом рабоче поверхности токоприемника, покрытой слоем материала, образующего химические соединения или раствор со щелочными металлами. .

При орошении непрерывным потоком жидкого щелочного металла рабочей поверхности токоприемника, с которой предварительно удалена пленка загрязнений, а затем нанесен изолирующий слой материала, образующего химические соединения со щелочным металлом, жидкий щелочный металл вступает в химическую реакцию с матриалом изолирующего слоя и постепенно растворяет его. Происходит замещение изолирующего слоя материала на рабочей поверхности токоприемника пленкой жидкого щелочного металла, полностью смачивающего рабочую поверхность токоприемника, так как в процессе замещения изолирующего слоя рабочая поверхность токоприемника не контактирует с кислородом и парами масла, имеющимися в остаточной атмосфере вакуумного объема устройства. В результате рабочая поверхность токоприемника оказывается полностью смоченной текущей пленкой жидкого щелочного металла, что повышает эффективность удаления неиспользуемого компонента пучка быстрых частиц водорода путем их химического связывания в гидрид щелочного металла.

Небольшие примеси материала изолирующего слоя в жидком щелочном металле не влияют на работу устройства, но при необходимости они могут быть выведены из системы циркуляции щелочного металла путем применения отстойников.

Способ реализован на макете устройства дпя преобразования зарядо- вого состояния ионных пучков, содержащем вакуумную камеру, источник положительных ионов водорода, токоприемник пучка быстрых частиц водорода, систему циркуляции натрия, систему орошения токоприемника жидким натрием и анализатор парциальных давлений для измерения парциального давления водорода в вакуумной системе устройства. Токоприемник пучка быстрых частиц водорода выполнен в виде пластины из стали-3. размером- 100x100 мм и толщиной 3 мм. Токоприемник снабжен системой охлаждения для отвода тепла, вьще Q ляющегося при бомбардировке рабочей поверхности пучком быстрых частиц водорода и поддержания заданного температурного режима. Очиска рабочей поверхности токоприемника производится путем протравливания в ортофосфорной кислоте, после чего на рабочую .поверхность путем напыления или залуживания наносится защитный слой олова толщиной v 0,2 мм.

Перед началом орошения рабочей поверхности токоприемника устройство подготавливают к работе: токоприемник устанавливают в вакуумную камеру устройства, производят вакуумную

5 откачку и прогрев токоприемника и систем орошения и циркуляции натрия. Обычно рабочий режим следуюпщй: давление в вакуумной системе

-10 Па;

температ-уры токоприемника и систем орошения и циркуляции натрия -,0,

100-1 .

Удаление быстрых частиц водорода из вакуумной камеры устройства производят следующим образом.

5 Включают орошение рабочей поверхности токоприемника жидким натрием (при этом визуально наблюдают полное смачивание рабочей поверхности токоприемника стекающей пленО кой натрия) . Включают ионный источник, из которого извлекают пучок по. ложительных ионов водорода (энергия 3 кэв, ток пучка 25 мА) и направляют на рабочую поверхность

5 токоприемника. Площадь сечения ионного пучка в месте расположения токоприемника приблизительно равна площади рабочей поверхности токоприемника. При взаимодействии ионов

0 водорода с жидким натрием на рабочей поверхности токоприемника происходит химическое связывание водородных частиц в гидрид натрия, который вместе с натрием стекает в

5 систему циркуляции. Об эффективности удаления можно было судить по изме нению парциального давления водорода в вакуумной камере устройства

с помощью анализатора А11ДН-1. По известной скорости откачки вакуумного насоса и величине парциального давления водорода показания анализатора пересчитывают в ток пучка ионов водорода, удаляемый из вакуумной системы устройства.

Анализ поверхности токоприемника после 2 ч работы устройства показывает что изолирующий слой олова полностью растворяется в жидком натрии и пленка жидкого натрия стекает по чистой металлической поверхности токоприемника, полностью смачивая ее.

Покрытие рабочей поверхности токоприемника слоем олова существенно повышает эффективность удаления быстрых частиц водорода.

Использование способа в устройствах для преобразования зарядового состояния ионных пучков позволяет в три раза повысить эффективность удаления.

Способ позволяет уменьшить в пять раз мощность вакуумных насосов пpимeняe ыx в мощных инжекторах нейтралов или в сильноточных источниках отрицательных ионов водорода перезарядного типа.

СПОСОБ УДАЛЕНИЯ НЕИСПОЛЬЗУЕМОГО КОМПОНЕНТА ПУЧКА БЫСТРЫХ ЧАСТИЦ ВОДОРОДА В УСТРОЙСТВАХ ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЗАРЯДОВОГО СОСТОЯНИЯ ИОННЫХ ПУЧКОВ, включающий орошение рабочей поверхности токоприемника неиспользуемого компонента жидким щелочным металлом, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности удаления, производят орошение жидким щелочным металлом рабочей поверхности токоприемника, покрытой слоем материала, образующим со щелочным металлом раствор или химическое соединение. 9