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

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

Целью изобретения является повышение экономичности устройства, что позволит снизить энергозатраты на откачку и габариты вакуумной системы.

На чертеже схематично изображена конструкция устройства.

Устройство содержит источник заряженных частиц 1, в котором помещен катод 2, и камеру дифференциальной откачки 3. Камера 3 снабжена соосным входным 4 и выходным 5 патрубками в виде полых конусов, направленных внутрь камеры. Во входном патрубке 4 выполнены боковые отверстия 6, вблизи и соосно одному из которых помещен потенциальный электрод 7. Вокруг патрубка 4 помещена металлическая сетка 8. Между сеткой 8 и патрубком 4 образована полость 9, а электрод 7 находится внутри этой полости. Камера 3 снабжена вакуумным вентилем 10.

Условно работу устройства можно разложить на три этапа. На первом этапе проявляется влияние формы и оптимального взаимного расположения патрубков на уменьшение количества газа в источнике. На втором этапе добавляется влияние разряда в камере 3 на уменьшение давления в источнике частиц; на третьем этапе присоединяется влияние пучка, генерируемого источником частиц, на поддержание вакуума в объеме устройства.

Устройство работает следующим образом. Первоначально создается стартовый вакуум в камере 3 работой небольшого вакуум-насоса или газопоглотителя. Одновременно создается вакуум и в источнике частиц благодаря сообщению вакуумных объемов источника 1 и камеры 3 через боковые отверстия 6. Струя газа, вытекающая в камеру 3 через отверстие d патрубка 5, устремляется в сторону источника частиц 1 с формирование скачков давления и ударной волны. Струя характеризуется полным давлением (измеренным по напору струи против ее движения) и статическим (при условном передвижении датчика давления со скоростью струи). В патрубок 4 попадает часть газа с относительно высоким напорным давлением. Часть газа, проходя сетку 8, течет по наружной стороне патрубка 4, сохраняя малое статическое давление. Через боковые отверстия 6 часть газа удаляется из объема источника обратно в камеру 3. Расстояние между патрубками 4 и 5 выбирается таким, чтобы патрубок 4 помещался в область минимального давления в струе. Это условие достигается тогда, когда расстояние между патрубками h равно расстоянию от начала истечения струи до ударной волны в свободной струе.

Таким образом, на первом этапе работы устройства роль острой формы патрубков с выполненными в нем боковыми отверстиями сводится к снижению количества газа, попадающего в источник частиц. На втором этапе работы устройства при достижении в камере 3 давления около 1 мм рт.ст. на электрод 7 подается напряжение U_p=300-800 В. Средства подключения к источнику напряжения не показаны. Вокруг боковых отверстий 6 зажигается тлеющий разряд, заполняющий всю полость 9 и ограничиваемый сеткой 8.

Разряд выступает в роли своеобразного электроразрядного насоса. Скорость откачки газа S для электроразрядных насосов различных типов выражается известным уравнением
S=0,07 I/P₁,
где
I - ток разряда, A;
P - давление газа в буферной камере, мм рт.ст.;
S - скорость откачки газа, л/с.

Откачивающее действие разряда вокруг боковых отверстий способствует усилению удаления газа из объема источника через боковые отверстия патрубка. Откачивающее действие разряда усиливается тем, что в разряде газ нагревается и его давление падает. За счет разности температур возникает дополнительная разность давлений, которая также способствует увеличению оттока газа через боковые отверстия 6 парубка 4. Это приводит к тому, что на втором этапе работы устройства давление в источнике частиц еще более снижается. При подаче напряжения отрицательной полярности U_p на катод 2 источника частиц в его обойме зажигается нормальный тлеющий разряд, что также способствует дальнейшему понижению давления в объеме источника. С уменьшением давления область существования разряда в источнике смещается в сторону высоковольтной. При этом условия существования разряда определяются левой ветвью кривой Пашена, характеризующей закон подобия газовых разрядов. Ионы из плазмы разряда устремляются на катод 2, из которого выбивают электроны. Благодаря вогнутой форме катода поток электронов фокусируется в пучок электрическим полем катода по оси патрубка 4 и через патрубок 5 выводится в газовую среду давлением P_k. На третьем этапе работы устройства выводимый пучок заряженных частиц способствует уменьшению давления в источнике частиц, что следует из анализа влияния пучка на параметры газа. В конечном итоге действие пучка на газ сводится к тепловому. Изменение полного давления газа характеризуется приведенной газодинамической функцией изменения полного давления при нагреве газа f(λ)

где
λ - коэффициент скорости потока.

В таблице (cм. в конце описания) приведены значения функции f(λ).
Из таблицы видно, что величина f(λ) на сверхзвуковом участке уменьшается более чем на два порядка. Соответственно основное уменьшение полного давления под действием нагрева газа пучком происходит на сверхзвуковом участке струи от патрубка 5 до ударной волны. Под действием пучка уменьшается давление не только в струе (что уменьшает количество газа в источник), но и давление P_k перед патрубком 5, поскольку пучок нагревает газ и падает локальная плотность газа. Таким образом, пучок, выводимый из источника благодаря уменьшению давления газа в струе и уменьшению давления газа перед камерой 3, способствует уменьшению количества газа в источник и способствует уменьшению энергозатрат на откачку газа. Вместе с тем пучок нагревает струю газа в камере 3. Изменение коэффициента скорости потока λ связано с изменением температуры газа T соотношением
(T_г/T_x) = (1+λ_x)²/4λ2x

Таким образом, чем меньше скорость газа, тем больше его нагрев. Соответственно основной нагрев газа происходит за ударной волной перед патрубком 4, а давление на этом участке изменяется незначительно.

Однако из вакуумной техники известно, что в зависимости от температуры газа T изменяется и пропускная способность U отверстия для газа.

Из анализа влияния пучка на параметры газа видно, что на входе в патрубок 5 уменьшается плотность газа под действием пучка; от патрубка 5 до ударной волны уменьшается напорное давление в струе, после ударной волны увеличивается температура газа, которая ведет к росту пропускной способности газа через патрубок 4. Благодаря острой форме патрубка 4 достигается расположение ударной волны вплотную к патрубку 4. Пространство от ударной волны до вершины патрубка 4 исключается, что исключает увеличение пропускной способности газа через вход патрубка 4 вследствие нагрева газа на дозвуковом участке струи от ударной волны до входа в патрубок 4.

Расположение сетки 8 на уровне вершины патрубка 4 не дает возможности переброски разряда из полости 9 в сторону патрубка 5 на висячие скачки и не дает возможности для нагрева газа вокруг выходных отверстий патрубков 4 и 5, которые служат для вывода пучка. Сохраняя постоянной их пропускную способность, сетка локализует разряд, благодаря чему повышается объемная плотность газа и увеличивается скорость откачки газа из источника через боковое отверстие 6.

Удаление газа из входного патрубка происходит с давлением, соизмеримым с давлением в камере 3. В объеме источника этот газ занял бы объем во столько раз больший, во сколько раз там меньше давление. Для уменьшения давления потребовалось бы увеличение объемной производительности и соответственно мощности вакуум-насоса. В прототипе уменьшение энергозатрат на откачку газа ограничено удалением газа через боковые отверстия входного патрубка, которое возможно только при разности давлений на внутренней и внешней стенке патрубка. В данном устройстве это ограничение снято и увеличение оттока газа через боковые отверстия за счет разряда, ограниченного сеткой, приводит к уменьшению энергозатрат на откачку газа из источника и при равенстве давлений на стенке патрубка.

Существенное снижение расхода газа благодаря патрубкам, тлеющему разряду, пучку и сетке позволяет уменьшить энергозатраты на откачку газа из источника, а при диаметрах отверстий в патрубках 0,3-0,6 мм обеспечивать работу устройства и без вакуум-насосов. Достаточно в первый момент открыть вентиль 10 и обеспечить статорный вакуум, при котором может зажечься разряд на электрод 7.

Авторское свидетельство СССР N 1047371, кл. H 05 H 7/00, 1982.

Устройство для вывода пучка заряженных частиц по авт. св. N 1047371, отличающееся тем, что, с целью повышения экономичности устройства, в камеру дифференциальной откачки введены металлическая сетка и электрод, снабженный средствами для подключения к источнику напряжения, при этом сетка расположена в поперечной плоскости камеры на уровне вершины входного патрубка, а электрод - соосно одному из боковых отверстий входного патрубка.

Устройство для вывода пучка заряженных частиц по авт. св. N 1047371, отличающееся тем, что, с целью повышения экономичности устройства, в камеру дифференциальной откачки введены металлическая сетка и электрод, снабженный средствами для подключения к источнику напряжения, при этом сетка расположена в поперечной плоскости камеры на уровне вершины входного патрубка, а электрод - соосно одному из боковых отверстий входного патрубка.