ПЛАЗМЕННЫЙ ЭКСПАНДЕР Советский патент 1994 года по МПК H05H1/00 

Изобретение относится к ускорительной технике, а именно к устройствам, в которых формируется плазма для получения электронных или ионных пучков.

Наиболее эффективно изобретение может быть использовано в устройствах, формирующих потоки заряженных частиц, предназначающихся для дальнейшего ускорения в линейных ускорителях.

Известен экспандер для расширения плазмы, проникающей из ионного источника в вакуум. Экспандер выполнен в виде полости в анодном фланце, имеющей входное и выходное отверстия. Для улучшения однородности плазмы стенки полости выполнены из керамики.

Недостатком данного экспандера является то, что быстрые плазменные электроны заряжают керамические стенки полости неравномерно, что приводит к нестабильности плазмы. Кроме того, в процессе работы имеет место напыление металлизированной пленки на керамическую стенку, обусловленное распылением материала входной диафрагмы, в результате чего изоляционные свойства.

Наиболее близким к предложенному экспандеру по технической сущности является плазменный экспандер форинжектора линейного ускорителя. Экспандер представляет собой цилиндрическую полость, в которую плазма поступает через входную диафрагму, разделяющую пространство генератора плазмы и пространство экспандера. На выходе полости в результате взаимодействия плазмы с электрическим полем экстрактора формируется граница плазмы, с которой в направлении экстрактора вытягивается и предварительно ускоряется пучок заряженных частиц. Стабилизация плазмы и улучшение однородности на развитой эмиссионной поверхности плазмы осуществляются установкой нескольких изолированных электродов в виде сеток.

Недостатком данного экспандера является то, что в нем не удается полностью устранить колебания и нестабильности в плазме. Кроме того, имеет место появление дополнительных нестабильностей за счет изменения потенциала электродов относительно полости, поскольку электроды изолированы от полости. Отмеченные недостатки препятствуют полному исключению нестабильностей в плазме и ухудшают однородность ее эмиссионной поверхности, что затрудняет согласование ее формы с пространством области экстракции.

Целью изобретения является улучшение однородности и стабильности ее эмиссионной поверхности.

Цель достигается тем, что в плазменном экспандере, содержащем камеру, диафрагму со стороны входа плазмы, расположенные перпендикулярно оси симметрии камеры изолированные электроды в виде сеток и экстрактор, каждый электрод соединен с корпусом камеры через сопротивление R_i, где i - порядковый номер электрода со стороны входа плазмы, соседние электроды соединены друг с другом через последовательно соединенные сопротивления r_i и емкости С_i, причем значения R_i, r_i и С_i связаны неравенством
C^-1_i < 10⁴r_i < 10³ R_i . (1)
Кроме того, значения сопротивлений R_i могут быть выбраны убывающими от входа к выходу экспандера, например, в соответствии с зависимостью
R_i= (2) где R_N - сопротивление в цепи ближнего к выходному отверстию электрода;
N - число электродов.

При этом уменьшение нестабильностей в плазме и улучшение однородности ее эмиссионной поверхности достигаются за счет следующих основных эффектов.

Введение сопротивлений R_i, замыкающих изолированный электрод с полостью экстрактора, способствует снижению флуктуаций потенциала плазмы, вызванных нестабильностью тока быстрых плазменных электронов, попадающих на электрод. Кроме того, эти сопротивления обусловливают эффективное выравнивание электронного тока, поступающего из плазмы на электроды, по отношению к случаю изолированных электродов.

Флуктуации тока плазмы замыкаются через цепочку, состоящую из последовательно включенных низкоомного сопротивления r_i и конденсатора C_i, подключенную к каждой паре смежных электродов. Емкости обеспечивают электрическую развязку по постоянному току между электродами, обеспечивающими продольное статическое распределение потенциала в плазме. Колебания тока плазмы приводят к появлению токов в цепочке, которые затухают на сопротивлении r_i, что препятствует развитию колебаний в плазме и приводит к улучшению стабильности.

Ступенчатое изменение величин сопротивлений в соответствии с зависимостью (2) приводит к перераспределению тока быстрых плазменных электронов, попадающих на электроды, причем уменьшение величин сопротивлений R_i от входа к выходу экспандера приводит к увеличению доли тока на выходные электроды, что способствует образованию однородной стабильной эмиссионной плазменной поверхности.

Отмеченные эффекты наиболее полно проявляются, если величины R_i, r_iи C_i связаны неравенством (1). При выполнении левой части этого неравенства емкостное сопротивление демпфера плазменных колебаний в области частот свыше 100 кГц способствует замыканию их через r-C-цепочку, поскольку при выполнении правой части неравенства замыкание их через сопротивление на корпус полости затруднительно.

Ступенчатое повышение величины сопротивления R_i от входа к выходу экспандера, описываемое гиперболической функцией, соответствует наиболее благоприятному перераспределению тока плазменных электронов на электроды и способствует повышению однородности эмиссионной плазменной поверхности.

Таким образом, в предложенном экспандере включение высокоомных сопротивления R_i и цепочек, состоящих из последовательно включенных низкоомного сопротивления r_i и емкости С_i, приводит к выравниванию потенциала плазмы, перераспределению тока плазменных быстрых электронов на электроды, демпфированию плазменных колебаний. Это приводит к уменьшению нестабильности в плазме и улучшению однородности ее эмиссионной поверхности. Предлагаемый экспандер удовлетворяет критерию "существенные отличия", так как не обнаружено аналогов со сходными признаками.

На чертеже показан экспандер. Он содержит корпус 1, входную диафрагму 2 и выходное отверстие 3. Внутри полости соосно корпусу размещены электроды в виде сетки 4, которые прикреплены к корпусу с помощью изолятора 5. Экстрактор 6 расположен вблизи выходного отверстия 3 экспандера. Каждый электрод соединен с корпусом экспандера через сопротивление 7. Каждые два смежных электрода соединяются друг с другом через цепочку, состоящую из последовательно включенных сопротивления 8 и емкости 9. Вытягивающий электрод (экстрактор) заземлен. Экспандер находится под потенциалом, соответствующим требуемой энергии пучка.

Экспандер работает следующим образом.

Внутрь полости корпуса 1 экспандера через отверстие во входной диафрагме 2 проникает плазма из генератора плазмы (на чертеже не показан). За счет наличия продольных скоростей частиц плазмa дрейфует в направлении к выходному отверстию 3 экспандера, где попадает в область действия сильного электрического поля, приложенного между экстрактором 6 и корпусом 1. В области выходного отверстия формируется эмиссионная граница плазмы, через которую заряженные частицы поступают в канал ускорения. Электроды, установленные в экспандере, выравнивают потенциал плазмы в поперечном направлении. Быстрые плазменные электроны попадают на электроды, которые приобретают отрицательный относительно плазмы потенциал. Введение высокоомных сопротивлений R_i способствует снижению флуктуаций потенциала плазмы, обусловленных нестабильностью тока быстрых плазменных электронов, попадающих на электроды. Токи, обусловленные колебаниями плазмы, замыкаются между электродами через цепочку последовательно включенных низкоомного сопротивления r_i и емкости С_i, эквивалентное сопротивление которой
Z_i= много меньше R_i. Потери (Джоулевы) на сопротивлении r_i обеспечивают демпфирование и подавление колебаний плазмы. При этом более эффективное формирование однородной плазменной эмиссионной поверхности в области выходного отверстия экспандера реализуется путем перераспределения тока через электроды за счет того, что величины сопротивлений R_i уменьшаются от входа к выходу экспандера в соответствии с соотношением (2).

При таком соотношении сопротивлений R_i большая часть тока быстрых плазменных электронов замыкается через электроды, расположенные в выходной области экспандера, что способствует формированию из расширяющейся в результате дрейфа к выходному отверстию плазмы однородной эмиссионной поверхности, свободной от флуктуаций и нестабильностей.

Из проведенного анализа физических процессов в предложенном плазменном экспандере следует, что в формируемой в нем плазме снижен уровень нестабильностей и улучшена однородность эмиссионной плазменной поверхности.

Для экспериментальной проверки предложенного экспандера был рассмотрен макет, имеющий экспандер диаметром 40 мм и глубину 60 мм, в котором были установлены восемь электродов в виде сеток. Величины сопротивлений емкостей были выбраны в соответствии с выражениями (1) и (2) и составляли: r_i = 10 Ом, С_i = 10 мкФ, R_i =∞, 7 кОм; 3,5 кОм; 2,3 кОм; 1,8 кОм; 1,4 кОм; 1,15 кОм; 1 кОм.

В предложенном экспандере по сравнению с прототипом фазовая плотность пучка увеличена на 20%, что является следствием уменьшения нестабильностей в плазме и улучшения однородности ее эмиссионной поверхности.

Изобретение относится к ускорительной технике, а именно к устройствам, в которых формируется плазма для получения электронных ионных пучков. Целью изобретения является улучшение однородности и стабильности эмиссионной поверхности экспандера. Плазменный экспандер содержит камеру, диафрагму со стороны входа плазмы, по меньшей мере два изолированных электрода в виде сеток, расположенных перпендикулярно оси симметрии камеры. Каждый электрод соединен с корпусом камеры через сопротивление R_i, где i - порядковый номер электрода со стороны входа плазмы, а соседни электроды соединены друг с другом через последовательно соединенные сопротивления r_i и емкости C_i, причем значения величин R_i, r_i и C_i связаны неравенством C-i

1. ПЛАЗМЕННЫЙ ЭКСПАНДЕР, содержащий камеру, диафрагму, размещенную со стороны входа плазмы, и по крайней мере, два изолированных электрода в виде сеток, расположенных перпендикулярно оси симметрии камеры, отличающийся тем, что, с целью улучшения однородности и стабильности эмиссионной поверхности экспандера, каждый электрод соединен с корпусом камеры через сопротивления R_i, где i - порядковый номер электрода со стороны диафрагмы, при этом каждый электрод соединен с близлежащими электродами через последовательно подключенные сопротивления γ и емкости C_i, причем значения величин R_i , γ₁^′ и C_i выбраны из условия
C_i^′ < 10⁴˙γ < 10³ R_i . 2. Экспандер по п.1, отличающийся тем, что, с целью улучшения однородности его эмиссионной поверхности, значения сопротивлений R_i выбраны в соответствии с зависимостью R_i= где N - порядковый номер электрода, наиболее удаленного от диафрагмы.