УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ И ВЫВОДА ИМПУЛЬСНЫХ ПУЧКОВ КОРПУСКУЛЯРНЫХ ЧАСТИЦ Советский патент 1998 года по МПК H05H7/00 

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

Цель изобретения - увеличения мощности выведенных частиц.

На чертеже изображено предлагаемое устройство в разрезе.

Устройство содержит источник 1 частиц, установленный на обойме 2. В обойме расположен цилиндр 3, установленный с возможностью вращения вокруг оси. В цилиндре выполнены соосные источнику пролетные отверстия 4 и 5 для вывода пучка. В теле цилиндра выполнены две автономно откачиваемые герметичные камеры 6 и 7, сообщающиеся друг с другом через соосное источнику пролетное отверстие 8. Герметизация вращающегося цилиндра 3 и его соединение с неподвижным вакуумпроводом осуществляется с помощью магнитожидкостного уплотнения 9. В ось привода вращения цилиндра 3 вмонтирован элемент 10 в виде муфты сцепления, состоящей в простейшем виде из звездочки и клина, укрепленных подвижно на оси привода с помощью шлицов.

Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии тело цилиндра отделяет объем источника частиц от газовой среды. Поток газа, проникающий между обоймой и цилиндром, мал, несущественно влияет на перепад давлений между источником и газовой средой. За счет откачки газа в объеме источника частиц достигается вакуум, необходимый для его работы. При повороте цилиндра оси отверстий 4, 5 и 8 совпадают с осью источника и объем источника частиц сообщается с газовой средой. В это же время включается источник частиц и пучок 11, пройдя выводные отверстия 4, 8 и 5, выводится из вакуума в газовую среду в течение импульса. Одновременно в камеру 7 цилиндра 3 под действием перепада давлений через отверстие 5 устремляется газ. В камере 7 в направлении оси системы формируется сверхзвуковой расширяющийся поток газа, основная часть которого сосредоточена на периферии струи по линиям тока 12. Диаметр струи в области максимального расширения пропорционален перепаду давлений между газовой средой и давлением в камере 7 и составляет несколько диаметров отверстия 5. Давление газа на оси потока в области максимального расширения струи (перед отверстием 8) в 10-20 раз меньше давления в полости камеры 7 вне струи.

Таким образом, из-за перераспределения давления в струе поток газа с относительно малым давлением попадает в отверстие 8, а поток с более высоким давлением остается за пределами отверстия 8 и откачивается из полости камеры 7 вакуумным способом. Благодаря этому удается значительно уменьшить объем газа в направлении источника. Поток, прошедший отверстие 8, попадает в камеру 6, где он вновь расширяется с формированием области минимального давления перед отверстием 4 и откачивается индивидуальным насосом. Так удается уменьшить объем газа в направлении источника частиц, остальной газ, прошедший в источник, начинает расширяться в объеме источника. Однако при расширении газа имеет место нестационарный процесс. При откачке газа в большинстве случаев, исходя из экономичности используются механические вакуум-насосы, принцип всасывания газа которых состоит в увеличении объема V камеры насоса, а принцип сжатия газа от вакуума до атмосферы - в уменьшении объема камер насоса. Поэтому скорость насоса за отрезок времени dt выражается следующим образом:

где
α₁ и α₂- угол поворота вала ротора;
n - число оборотов ротора в минуту.

Таким образом, мгновенная скорость откачки непостоянна, а изменяется от нуля до максимума, а затем снова падает до нуля, соответственно изменяется и поток газа, откачиваемый насосом
Q = P_э•S_э,
где
P_э - давление в момент времени t;
S_э -эффективная скорость откачки в момент времени t.

P_o - давление газа в момент отсчета.

В расчетах вакуумных систем (в частности в прототипе) скорость откачки S представляет собой среднее значение за несколько оборотов, т.е. S = n•V.

Разница между теоретической и действительной скоростями откачки зависит от запаздывания открывания камеры и момента прихода газа.

Для изменения запаздывания и служит элемент 10. В прототипе насос откачивает среднее значение потока газа, и газ, проходя к насосу, не всегда может всасываться в должном количестве за поршнем, так как камеры насоса в этот момент могут быть закрыты. Это приводит к низкой эффективности откачки газа насосами.

При повороте цилиндра 3 камеры 6 и 7 меняются местами. Путем подбора скорости вращения тела цилиндра и частоты следования импульсов обеспечивается вывод в газовую среду мощных электронных, ионных или нейтральных пучков.

Введение камер в известное устройство позволяет дважды откачивать основную массу газа при давлении, более высоком, чем давление в источнике. Производительность насоса S_н, откачивающего газ, выражается через поток газа в насос Q_н и давление на его входе P_н соотношением
S_н = Q_н/P_н,
из которого следует, что постоянном количестве газа, обусловленном размером отверстий, с ростом давления требуется меньшая производительность откачных средств. Откачка газа при более высоком давлении способствует уменьшению объема, поступающего в насос, уменьшение объема откачиваемого газа на 1 л (за счет увеличения его давления) позволяет сократить энергозатраты на 100-1000 Вт. Объем газа, поступающий в насосы за 1 с, определяется следующим выражением:
Q = α[n(P₂/P_n)^1/n-n+1, (1)
где
α - коэффициент натекания газа при площади отверстия 1 см² (для воздуха α = 4,5•10⁴ см³/с);
n - число ступеней откачки;
P₂, P_n - давление в газовой среде и источнике, выраженное в мм рт.ст.

Таким образом, импульсное дифференциальное откачиваемое устройство позволяет пропорционально отношению давления газовой среды к давлению в источнике уменьшить объем газа, поступающего в насосы, поскольку в данном устройстве в отличие от прототипа выделение области минимального давления перед отверстиями вывода пучка начинается сразу после попадания газа в камеры цилиндра, до момента совпадения осей отверстий с осью источника.

Уменьшение объема газа в источник позволяет при прежних насосах увеличить диаметр отверстий для вывода частиц до размеров пропускания прежнего объема газа. При фазировке возможность увеличения размеров отверстий возрастает, соответственно возрастает возможность повышения мощности выведенных частиц за счет их потока.

В конкретном случае устройство состоит из источника электронов на основе высоковольтного тлеющего разряда с холодным катодом, рабочий диапазон которого составляет 2-20 Па, расположенного на обойме. В обойме помещен цилиндр диаметром 150 мм. В стенках цилиндра выполнены соосные источнику отверстия 4 и 5 диаметрами по 10 мм, соосные с отверстиями цилиндра. Цилиндр соединяется с вакуум-проводами через магнитожидкостное уплотнение. Между осью привода цилиндра и приводом насоса введен элемент изменения фазы вращения цилиндра относительно вала привода насоса в виде звездочки с клином.

В исходном состоянии оболочкой цилиндра перекрывается объем источника от газовой среды с давлением 20 кПа (0,2 атм). За счет откачки газа в объеме источника устанавливается давление 5,3 Па.

При повороте цилиндра и совпадении осей отверстий 5, 4 и 8 с осью источника на источник подается импульс высокого напряжения (100 кВ) от батареи конденсаторов длительностью 10 мкс, вызывающий генерацию пучка током 40 кА. Пучок проходит отверстия и выводится в газовую среду. В это же время поток газа через отверстие 5 устремляется в камеру 7, где откачивается насосом ВВН-3 до давления 10 кПа, и пройдя отверстие 8, попадает в камеру 6, где откачивается насосом ВН-7 до давления 140 Па. Газ, прошедший в источник, откачивается другим насосом ВН-7 до давления 53 Па.

При вдвигании клина в звездочку давление в источнике частиц уменьшается до 2 Па. Благодаря этому можно увеличить давление газа перед устройством от 0,2 атм до атмосферного (в 5 раз), что эквивалентно увеличению площади отверстия в 5 раз при исходном давлении.

После действия импульса тока поток газа в источник перекрывается оболочкой цилиндра, а газ из устройства откачивается до исходных давлений. Таким образом, при вращении цилиндра со скоростью 1400 об/мин осуществляется вывод электронного пучка с частотой 50 Гц. При этом отверстие 5 проходит путь, равный своему диаметру, за 8,4•10^-3с. При попадании потока газа в устройство в течение 50 раз в секунду общее время натекания газа за одну секунду работы составит
8,4•10^-3•50 = 0,4 (с).

С учетом этого из выражения (1) следует, что при выводе пучка из источника, работающего при давлении около 5,3 Па (4•10^-2 мм рт.ст.), объем газа в насосы в прототипе при диаметре 10 мм составит 341 м³/с, а в данном устройстве 2,3 м³/с.

По сравнению с прототипом объем газа в предлагаемом устройстве сокращается от 341 до 2,3 м³/с, что позволяет вместо 22 насосов ВН-7 с суммарной электрической мощностью 220 кВт (по 10 кВт каждый) применить три насоса с общей потребляемой мощностью 30 кВт и сократить энергозатраты более чем в 7 раз, а при мощностях прототипа повысить мощность выводимых пучков в такое же число раз.

Данное устройство может найти применение при стимулировании плазмохимических реакций, при ионизации рабочих сред мощных газовых лазеров, для ряда операций по обработке и упрочнению материалов.

Авторское свидетельство СССР N 403370, кл. H 05 H 7/00, 1970.

Патент США N 3469065, кл. 219-121, 1969.

Изобретение относится к электронно- и ионно-лучевой технике. Устройство для получения и вывода импульсных пучков корпускулярных частиц содержит источник 1 частиц с выходным отверстием, цилиндрическое тело (ЦТ), разделенное перегородкой на автономно откачиваемые герметичные камеры 6 и 7, сообщающиеся друг с другом через пролетное отверстие 8, привод вращения ЦТ, содержащий элемент 10 изменения фазы вращения ЦТ относительно привода в виде муфты сцепления, состоящий из звездочки и клина, укрепленных подвижно на оси привода, и средства откачки в виде насосов объемного действия. В ЦТ имеются пролетные отверстия 4 и 5 для вывода пучка. Устройство позволяет увеличить мощность выведенных частиц. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для получения и вывода импульсных пучков корпускулярных частиц, содержащее источник частиц с выходным отверстием и цилиндрическое тело, пролетное отверстие которого соосно выходному отверстию источника частиц, расположенное на валу привода вращения, снабженные средствами откачки, отличающееся тем, что, с целью повышения мощности выведенных частиц, привод вращения цилиндрического тела содержит элемент изменения фазы вращения тела относительного привода, а средства откачки выполнены в виде насосов объемного действия. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что элемент изменения фазы вращения выполнен в виде муфты сцепления, состоящей из звездочки, находящийся в зацеплении с клином, установленным с возможностью перемещения на фланце, расположенном на валу привода вращения. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в цилиндрическом теле выполнены две камеры, разделенные перегородкой с отверстием, соосным пролетному отверстию цилиндрического тела, и снабженные индивидуальными средствами откачки.