ИМПУЛЬСНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ ИОНОВ Советский патент 1998 года по МПК H05H5/00 

Изобретение относится к электронно-ионному оборудованию технологического назначения и может быть использовано в качестве генератора ионов твердых веществ для обработки поверхностей изделий с целью повышения коррозионной стойкости, увеличения твердости и создания декоративных покрытий, а также повышения износостойкости режущего инструмента в различных отраслях техники.

Известны импульсные ускорители ионов [1], работающие на принципе генерирования плазмы дуговым разрядом в вакууме, отбора ионов из плазмы и их ускорения полем экстрактора или коллектора.

Основным недостатком данных ускорителей является низкая надежность из-за низкой надежности узла поджига дуги вследствие разрушения керамики и локальной эрозии катода.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому ускорителю является импульсный ускоритель ионов [2] , содержащий газоразрядную камеру с анодом в виде спирали, ускоряющий электрод и генератор импульса, работающий на принципе испарения металла в катодном пятне вакуумной дуги и ускорения ионов из плазмы электрическим полем спирального анода. Ускоренные в поле анода ионы дополнительно ускоряются в поле ускоряющего электрода и направляются на обрабатываемую деталь или на коллектор.

Основными недостатками данного ускорителя являются низкая надежность и малый срок службы, обусловленные нестабильностью процессов поверхностного пробоя и формирования катодного пятна вследствие быстрой эрозии керамики и катода, а также низкая стабильность его работы, обусловленная трудностями синхронизации основных узлов ( источник поджигающего напряжения, блок питания магнитного элемента и генератор ускоряющего напряжения), а также сложные условия эксплуатации из-за трудностей синхронизации, особенно в наносекундном диапазоне. Кроме того, вследствие сложности схем синхронизации ускорители имеют невысокую надежность.

В связи с повышением требований к качеству продукции и производительности быстрыми темпами внедряются во все отрасли промышленности электронно-ионные методы обработки и модификации поверхностных слоев металлов и сплавов. Это приводит к возрастанию потребности в надежных, стабильно работающих ускорителях технологического назначения. Ускорители, выпускаемые промышленностью в настоящее время, не удовлетворяют этим требованиям.

Целью изобретения является повышение надежности и долговечности ускорителя за счет импульсного испарения металла и ионизации паров в индукционном импульсном разряде.

Цель достигается тем, что в импульсном ускорителе ионов, содержащем газоразрядную камеру, систему формирования и ускорения ионов и импульсный блок питания, газоразрядная камера выполнена в виде конической спирали, центральный виток которой подключен к импульсному генератору, а внешний виток подключен к второму полюсу генератора импульсов и переходит в цилиндрическую спираль, являющуюся ускоряющей системой, при этом коническая часть спирали снаружи охвачена конусом из ферромагнитного материала.

В соответствии с вновь введенными признаками заявляемый ускоритель по сравнению с прототипом отвечает критерию "новизна".

Новым в данном ускорителе является конструктивное совмещение испарителя с камерой ионизации, в частности выполнение последней в виде конической спирали, охваченной ферромагнитным конусом, а также совмещение системы ускорения с ионизационной камерой и выполнение ее как продолжение последней в виде цилиндрической спирали, что позволило использовать для испарения металла, ионизации его паров и ускорения ионов один и тот же генератор импульсов, подключенный к виткам конической спирали, и обойтись без сложных схем синхронизации. Проходящим током спираль нагревается до температуры, при которой давление паров металла достигает 1-10^-1 Па, и в объеме конической спирали под действием вихревых ЭДС зажигается индукционный разряд в парах металла, из плазмы которого полем витков цилиндрической спирали, на которых, как в автотрансформаторе, индуцируется ЭДС, извлекаются и ускоряются ионы металла. Благодаря конической форме спирали концентрируется поле к вершине конуса, увеличивается вихревая ЭДС и стабилизируется зажигание конуса, увеличивается вихревая ЭДС и стабилизируется зажигание разряда.

Использование для испарения металла импульсного нагрева спирали вместо дугового разряда, как у прототипа, существенно повышает надежность и долговечность ускорителя по сравнению с прототипом, у которого эти характеристики определяются разрушением керамики и эрозией стержневого катода, чего нет в заявленном ускорителе. Повышению надежности и долговечности ускорителя способствует также отказ от схем синхронизации, поскольку испарение, ионизация и ускорение обеспечиваются одним импульсом.

Сопоставление признаков заявленного ускорителя с признаками известных технических решений показывает, что в ВЧ-источниках используются цилиндрические или конические спирали для возбуждения разряда и поддержания плазмы в цилиндрических или сферических газоразрядных камерах.

Однако спирали в этих устройствах размещаются снаружи разрядных камер и выполняют только функцию возбуждения ВЧ-разряда в атмосфере рабочего газа, который напускается в камеру, в то время как в заявленном ускорителе коническая спираль размещена внутри разрядной камеры и, кроме возбуждения индукционного разряда, выполняет еще функцию испарителя, с поверхности которого пары металла поступают в разрядную камеру, а также функцию витков автотрансформатора, при прохождении тока по которым возбуждается магнитный поток, индуцирующий ЭДС на витках цилиндрической катушки, обеспечивающую ускорение ионов. Из вышеизложенного следует, что предложенный ускоритель ионов в заявляемой совокупности признаков удовлетворяет критерию "существенные отличия".

Принцип устройства ускорителя ионов иллюстрируется чертежом.

Ускоритель содержит разрядную камеру в виде конической спирали 1 с выводом от центрального витка, переходящую в цилиндрическую спираль 2 с выходом от стыка спиралей, ферромагнитный конус 3, отхватывающий коническую спираль и генератор 4 импульсов, подключенный к выводам конической спирали, коллектор 5.

Принцип работы ускорителя заключается в следующем. При пропускании от генератора 4 импульса тока по виткам конической спирали 1 поверхность витков вследствие вытеснения тока к поверхности быстро нагревается до температуры, при которой происходит испарение металла, и в объеме, образованном спиралью 1 и ферромагнитным конусом 3, давление повышается до 1-10^-1 Па. В это время ток в витках начинает спадать и в результате уменьшения магнитного потока в окрестности конической спирали индуцируются вихревые ЭДС, вызывающие разряд в парах металла, близкий к индукционному разряду, плазма которого заполняет объем конической спирали. В витках цилиндрической спирали 2 также индуцируется напряжение (как в автотрансформаторе), под действием которого происходит отбор ионов с границы плазмы, заполнившей полость конической спирали 1, и ускорение их в направлении к коллектору или обрабатываемой детали.

Благодаря созданию рабочей атмосферы (пары металла) не за счет локального нагрева металла в катодном пятне вакуумной дуги, как у прототипа, а за счет нагрева сравнительно большой поверхности витков при пропускании импульса тока с крутым фронтом, не возникает локальной эрозии, приводящей к разрушению электродов и снижающей надежность и долговечность ускорителя. К повышению надежности ускорителя ведет также использование для ионизации паров металла индукционного импульсного разряда, а не дугового, как у прототипа, что позволило отказаться от поджигающего узла, включающего поджигающий электрод и керамический изолятор, которые из-за разрушения керамики в результате эрозии, вызываемой поверхностными пробоями при поджиге дуги, являются наименее надежными узлами ускорителей.

Кроме того, благодаря испарению металла с большой поверхности витков без каких-либо локальных перегревов не происходит разбрызгивания металла в плазме, и в пучке ионов отсутствует капельная фракция, что позволяет повысить качество изделий, поскольку при обработке таким пучком поверхность изделия не загрязняется каплями металла.

Одним из достоинств предложенного ускорителя является простота конструкции схемы электропитания, состоящей только из одного генератора импульсов, импульс которого приводит к нагреву поверхности спирали и испарению металла, обеспечивает зажигание и горение разряда, в котором ионизируется пар, а также индуцирует высокое ускоряющее напряжение на витках цилиндрической катушки. Это позволило отказаться от схем синхронизации и повысить надежность. Для увеличения длительности импульса генерации коническая спираль может быть снабжена добавочным конденсатором, с которым она образует колебательный контур, несколько затухающих колебаний которого можно использовать для генерирования плазмы и ускорения ионов.

Для увеличения индуктивной связи конической спирали 1 с цилиндрической спиралью 2 ферромагнитный конус может быть удлинен на всю длину спирали 2, но в этом случае он должен обладать большим сопротивлением, чтобы не было пробоя между высоковольтным витком спирали 2 и выводом конической спирали 1 через конус 3. При необходимости генерирования твердых веществ, из которых нельзя изготовить спираль, эти вещества наносятся на металл витков конической спирали.

Примером конкретного исполнения заявленного ускорителя является проект ускорителя ионов титана на 500 кэВ с током ионов в пучке 1А при длительности импульса 200 мкс. Ускоритель содержит коническую спираль из пяти витков титановой проволоки диаметром 1 мм, полый конус из феррита с диаметром основания 5 см и высотой 4 см, цилиндрическую спираль диаметром 5 см из 20 витков медной проволоки диаметром 1 мм, соединенной с конической спиралью, и генератор импульсов тока с регулируемой амплитудой напряжения до 10 кВ. К выходу генератора импульсов подключены выводы от центрального и четвертого витков конической спирали.

Технико-экономические преимущества заявленного ускорителя ионов заключаются в более высокой надежности и долговечности ускорителя, а также в простоте конструкции, облегчении условий эксплуатации, снижении веса и габаритов ускорителя и уменьшении его стоимости.

Ожидаемый экономический эффект от внедрения предложенного ускорителя будет складываться за счет следующих факторов: повышения качества изделий, обусловленного отсутствием капельной фракции в ионном пучке; снижения стоимости ускорителя вследствие уменьшения материалоемкости и упрощения конструкции; уменьшения эксплуатационных расходов в результате повышения надежности и долговечности ускорителя, а также упрощения его конструкции.

В соответствии с вышеизложенным заявленный ускоритель содержит элементы новизны, удовлетворяет критерию "существенные отличия", по технико-экономическим показателям превосходит прототип и является полезным для производства.

Габович М. Д. Физика и техника плазменных источников ионов. М.: Атомиздат, 1972, с. 128-145.

Авторское свидетельство СССР N 151258, кл. H 05 H 5/00, 1989.

Использование: изобретение относится к электронно-ионному оборудованию технологического назначения и может быть использовано в качестве генератора ионов твердых веществ для обработки поверхностей изделий с целью повышения коррозионной стойкости, увеличения твердости и создания декоративных покрытий, а также повышения износостойкости режущего инструмента в различных отраслях техники. Сущность изобретения: ускоритель содержит газоразрядную камеру с хранилищем рабочего вещества, систему формирования и ускорения ионов, один из электродов которой выполнен в виде цилиндрической спирали, и генератор питающих импульсов. Газоразрядная камера выполнена в виде конической спирали 1, являющейся хранилищем рабочего вещества. Коническая спираль 1 своими концами подключена к генератору 4 питающих импульсов, а внешним витком подключена к обращенному к ней витку цилиндрической спирали 2. При этом коническая спираль 1 помещена в конусный ферромагнитный экран 3. 1 ил.

Импульсный ускоритель ионов, содержащий газоразрядную камеру с хранилищем рабочего вещества, систему формирования и ускорения ионов, один из электродов которой выполнен в виде цилиндрической спирали, и генератор питающих импульсов, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности и долговечности, газоразрядная камера выполнена в виде конической спирали и помещена в конусный ферромагнитный экран, при этом коническая спираль является хранилищем рабочего вещества, своими концами подключена к генератору питающих импульсов, а внешним витком подключена к обращенному к ней витку цилиндрической спирали системы формирования и ускорения ионов.