Импульсный источник ионов Советский патент 1992 года по МПК H01J27/10 H01J27/04 

Иэобретение относится к источникам ионов, используемым в термоядерных установках, ускорителях заряженных частиц и в технологических установках

Целью изобретения является повышение эффективности извлечения и увеличение фазовой плотности потока ионов.

На фиг„I изображена схема источников ионов; на - поперечный разрез разрядной камеры источника ионов в области торцовой стенки с конфигурацией силовых линий магнитного поля; на. фиг03 - распределение величины индукции В магнитного поля по диаметру d разрядной камеры в области эмиссионного отвер гия,,

Импульсный источник ионов содержит разрядную камеру 1, соединенную с положительным полюсом импульсного источника 2 электропитания, анод 3, выполненный в виде электронзолиро- ванной торцовой стенки камеры, соеркя

оъ ю

СП Ю

ел

ч

диненной с корпусом А источника ионов „ В аноде 3 выполнено эмиссионное отверстие 5„ Электромагнитный клапан 6 установлен таким образом, что его подвижная заслонка герметично закрывает эмиссионное отверстие 5о Постоянные магниты 7 расположены таким образом (см0фиг02), что создаваемое ими магнитное поле образует остро- JQ угольную конфигурацию силовых линий, нарастая от центра разрядной камеры к ее периферии, при этом на продольной оси камеры в области эмиссион- кого отверстия величина индукции маг-J5 нитного поля минимальная (см„фиг03)о В состав источника ионов входят газовая магистраль 8 подачи рабочего газа в камеру 1, полый безнакальный катод 9 цилиндрической формы, рас- 20 положенный вдоль продольной оси разрядной камерЫо Полый-катод подключен к импульсному источнику 10 электропитания и электрически изолирован от стенок камеры через изоляторы П« 25

Электрические источники питания 2, 10 представляют собой импульсные высоковольтные схемы известных в технике конструкций,,

Предлагаемый источник ионов работает следующим образомо

В исходном состоянии безнакальный катод 9, стенки разрядной камеры I и анод 3 находятся под одинаковым электрическим потенциалом, а разрядная камера I заполняется рабочим газом через газовую магистраль 8, Перетеканию газа из разрядной камеры 1 во внешний объем препятствует заслонка электромагнитного клапана 6, перекры- Q вающая анодное отверстие эмиссии в промежутках между рабочими импульсами источника,, Магниты 7 создают в разрядной камере 1 постоянное остроугольное магнитное поле, величина ко- $5 торого быстро нарастает в области стенок камеры. В этот период времени источник электрическую энергию не потребляет Для зажигания электрического разряда в камере источника одно- ,. временно на период горения разряда к соответствующим электродам прикладываются напряжения: к катоду - поступающее с источника 10 питания высоковольтное отрицательное напряжение; на боковые стенки разрядной камеры 1 подается импульс высоковольтного напряжения положительной полярности с источника 2 питания,, При

30

35

55

Q5 0 5

Q $5 . 0

5

55

этом заслонка электромагнитного клапана 6 открывает отверстие 5 эмиссии на время, необходимое дпя выпуска ионов Иод действием разности потенциалов , возникающей между электрически изолированными от корпуса источника и друг от друга катодом 9 и боковыми стенками разрядной камеры I, возникает процесс автоэлектронной эмисии с острых кромок катода 9«Этот процесс инициирует развитие газового разряда Первичные электроны с катода и образованные ими в.результате ионизации рабочего газа медленные электроны, попадая в поле с высокой разностью электрических потенциалов приложенной между катодом 9 и стенками разрядной камеры 1, ускоряются, набирая энергию, достаточную для ионизации газа за более короткое время и на более коротком отрезке пути, чем это имеет место в прототипе,, Они ионизируют на своем путл рабочий газ, а попадая в пристеночную область с сильным магнитным полем, создаваемым магнитами 7, возвращаются обратно в зону ионизациио В процессе приближения к стенке камеры величина магнитного поля начинает резко возрастать, в результате увеличивается время жизни электронов в области ио- низациио Учитывая повышенный уровень давления газа в период разряда в камере, достигаемый введением в конструкцию электромагнитного клапана 6, и то, что электроны приобретают потенциал, достаточный для ионизации газа на коротком участке пробега, характерном для повышенных давлений газа, а уход положительных ионов в результате радиального дрейфа из области ионизадии на боковые стенки разрядной камеры затруднен наличием на них высокого положительного потенциала, создаваемого источником 2 питания, становится возможным за- |жечь электродуговой разряд между без- накальным катодом 9 и анодом 3 в об- ласти, свободной от магнитного поля, характеризующийся высокой плотностью тока« Это позволяет увеличить плотность ионной составляющей в плазме и ведет к увеличению тока пучка ионов на выходе источника

Поскольку в предлагаемом источнике используется безнакальный катод, не требующий предварительного нагрева, то в период между рабочими импульсами потребления электроэнергии из внешней цепи источником не происходит, что делает его энергетически более экономичным Отсутствие в конструкции нагревательного элемента и то, что в рабочих режимах катод не подвержен разрушению от длительного разогрева, повышает надежность работы предлагаемой конструкции,, Наличие электромагнитного клапана, подвижная заслонка которого перекрывает отверстие эмиссии в аноде в период между рабочими импульсами, препятствуя перетеканию газа из разрядной камеры во внешний объем, открываясь только на время выпуска ионов пучка, позволяет осуществлять режим рационального расходования рабочего газа и снижает нагрузку газовым потоком устройств, находящихся во внешнем объеме

В результате испытания экспериментального образца импульсного источника ионов с периферийным магнитным полем на ускорителе прямого действия при длительности импульса тока пучка 4-1( и частоте повторения импульсов I Гц , с использованием в разрядной камере в качестве рабочего газа водорода, на выходе ускорителя был получен пучок положительных ионо с током 6 А, имеющий фазовую плотность 6 АДЬм Мрад), ускоренный до 30 кВ, а потребляемая источником

/ f

8

V

Я

А.

W

электрическая ла 0 Вт.

мощность HP превосходи

5

Формула изобретения Импульсный источник ионов, содержащий корпус, разрядную камеру, вдоль продольной оси которой расположены полый холодный катод н анод, выполненный в виде торцовой стенки камеры с эмиссионным отверстием, управляемый электромагнитный клапан с подвижной заслонкой, герметично закрывающей эмиссионное отверстие, вытягивающий электрод, магнитную систему, систему подачи рабочего газа в разрядную камеру, импульсные высоковольтные источники электропитания, подключенные к катоду и стенкам камеры, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности извлечения н увеличения фазовой плотности потока ионов, торцовая стенка с эмиссионным отверстием электроизолирована от раз- 5 рядной камеры и соединена с корпусом источника, а магнитная система выполнена таким образом, что внутри разрядной камеры образовано магнитное поле остроугольной конфигурации, при этом напряженность магнитного поля возрастает от продольной оси симметрии камеры к ее стенкам, причем стенки разрядной камеры подключены к пот ложительному полюсу источника электропитания,,

0

0

5

J

V

Изобретение относится к источникам ионов, используемым в термоядерных установках, ускорителях заряженных частиц и в технологических установках,, Целью изобретения является повышение эффективности извлечения и увеличение фазовой плотности потока vjoiioBo Устройство содержит разрядную камеру, в которой установлены .электрически изолированные полый холодный катод и анод, выполненный в виде торцовой стенки с эмиссионным отверстием Катод и стенки камеры независимо подключены к импульсным высоковольтным источникам электропитанияо Эмиссионное отверстие анода герметично закрыто подвижной заслонкой электромагнитного клапана В разрядной камере установлена газовая магистраль, соединенная с системой подачи рабочего газао Коакси- ально разрядной камере с ее внешней стороны размещены постоянные магниты, создающие магнитное поле внутри камеры остроугольной конфигурации. Напряженность магнитного поля возрастает от продольной оси симметрии pas - рядной камеры к ее станкам 3 ил.

Фиг.1

Фиг.2

d

-ЭР

Фиг.З