Источник ионов Советский патент 1987 года по МПК H01J27/04 

18 Изобретение относится к области ускорителей и инжекторов ионов, а так же электроракетньк (ионных) двигатеiieft с газоразрядными источниками ионов и может быть использовано в ионно-лучевой технологии, космической технике, при разработке установок тер моядерногр синтеза. Известен газоразрядный источник ионов, носящий название ионного двигателя Кауфмана. В этом источнике ионизация рабоче.го вещества осуществляется в разряде Пеннинга с однородным аксиальным магнитным полем, создаваемь1м соленоидом с протяженным анодом и горячим катодом, Извлечение, формирование и ускорение ионного пучка производится с помощью многоаппертурной ионно-оптической системы. Известному источнику присущи недостатки, связанные с высокими энергетическими затратами на ионизацию и неоднородным распределением плотности ионного тока на -вькоде из источника. . Совершенствование источника ионов данно1о типа пшо IJO нескольким направ лениям, наиболее плодотворное из кото рых связано с организацией удержания, газоразрядной плазмы в объеме камеры Известен, например, газоразрядный источник ионов, магнитное поле в котором создается с помощью продольных намагниченных в поперечном направлении магнитов, расположенных равномерно по окружности с наружной стороны газоразрядной камеры с последовательным чередованием полюсов. . При такой магнитной системе вблизи боковой стенки источника образуется область быстро спадающего к оси магнитного поля. Электроны в этой облас ти замагничены и их дрейф на стенку затруднен.. Недостатком данного источника явля ется невозможность эффективного удержання ионного компонента плазмы, что приводит к дополнительным затратам энергии на повторную ионизацию прорекомбинировавших на стенке ионов. . Частично этот.недостаток устранен в источнике ионов с магнитно-электростатическим удержанием плазмы, которьй является ближайпшм техническим решением. 2 Известный источник содержит газоразрядную камеру, ограниченную боковой, задней торцевой стенками и антикатодом с отверстиями для извлечения ионов, внутри которой установлены термокатод, анод и кольцевые, намагниченные в радиальном направлении магниты, расположенные вдоль боковой стенки камеры с последовательным че- редованием полюсов, основной источник питания разряда, отрицательный полюс которого соединен с катодом, а положительный - с анодом, а также дополнительный источник питания, отрицательный полюс которого соединен с анодом. В известном источнике постоянные магниты введены внутрь газоразрядной камеры и электрически соединены с боковой стенкой камеры, находящей-. ся под потенциалом катода. Кроме того в. разряд, кроме основного анода, введены еще дополнительные (пристеночные) аноды, установленные в промежутках между полюсами магнитов. Положительный полюс дополнительного источника соединен с указанньими пристеночными анодами. Таким образом, крр-: ме основного разряда в пристеночной области газоразрядной камеры осуществляется несамостоятельный разряд в скрещенных Е х В полях. В процессе работы источника газоразрядная плазма в основном объеме источника поддерживается под потенциалом, близким к потендаалу основного анода. Потенциал же дополнительных анодов с помощью дополнительного источника питания и в силу известных физических закономерностей, присущих несамостоятельному разряду в пристеночной области к амеры, поддерживается на 4-6 в вьше потенциала плазмы основного разряда. За счет указанного скачка потенциала обеспечивают эффективное удержание конов при одновременной замагниченности электронов. Недостатлсом известного источника является необходимость затраты мощности на поддержание пристеночного разряда,.что ограничивает возможности дальнейшего повьшения его энергоэкон-омичности. Необходимость введения дополнительных анодов усложняет конструкцию источника. Целью изобретения является упрощение конструкции. 381 Цель эта достигается тем., что магниты изолированы от боковой стенки и электрически соединены с положительным полюсом дополнительного источника питания.. Кроме того, анод выполнен в виде кольца, охватывающего катод и .установлен параллельно задней торцовой стенке камеры, преимущественно в закатодной области камеры. На чертеже схематично изображен источник ионов и схема его питания, Источник содержит газоразрядную камеру, в которой установлены термокатод f например типа полого катода, анод 2, постоянные магниты 3, В источниках большого размера может установлено несколько катодов. Тип катода выбирают в зависимости от рода рабочего вещества. Газоразрядная камера ограничена цилиндрической боКОБОЙ и задней торцовой стенками, а также антикатодом 4с отверстиями для извлечения ионов. Ионный пучок формируется ионно-оптйческой системой, содержащей ускоряющий 5 и кольцевой замедляющий 6 электроды. Магнитное поле в пристеночной зоне образуется магнитами 3, а в прикатодной области - магнитной системой 7, выполт ненной, например, в виде соленоида. Катод 1 и анод 2 запитываются от основного источн.ика 8 питания. Отрицательный полюс дополнительного источника 9 подключен к аноду 2, а полозки- , тельный -, к магнитам 3. Для осуществ- ления такой электрической связи магвиты 3 изолированы от боковой стенки, Источник ионов работает следующим .образом. Рабочее вещество подается через польй катод 1 и в камеру через систему подачи (на чертеже не показана) . При подаче напряжения с основного источника 8 порядка 15- 30 В (в зависимости от рода рабочего вещества) зажигается разряд. Электроны эмиттирувмые катодом (первичные электроны), ионизируют рабочее вещество и нагревают образовавшиеся в результате ионизации электроны плазмы (вторичные электроны). Ток первичных электронбв и их энергия рехулируются величиной расхода газа через катод 1 и напряжением разряда,, что позволяет выбрать оцтимальный с точки зрения энергозатр ат режим работы источника, Уровень энергозатрат и газовая экономичность источника во многом опреде64ляется величинойпотока ионов и электронов на боковую стенку камеры. Б flaH- ном источнике магниты 3 создают вблизи боковой стенки знакопеременное магнитное поле, в котором электроны замагничены, что затрудняет их дрейф на боковую стенку. Поддержание положительного потенциала на магнитах относительно плазмы (потенциал плазмы близок к потенциалу анода 2 в силу известньпс физических закономерностей) приводит к .возникновению радиального направленного к оси электрического поля перпендикулярного пристеночному магнитному полю. Известно, что такое электрическое поле может существовать только в условиях .замкнутого азимутального дрейфа электронов. Это условие выполняется в данной конструкции за счет кольцевой формы магнитов. .Указанное электрическое поле обеспечивает удержание ионов в объеме ГРК. Дпя электронов имеются каналы утечки на полюса пристеночных маг-нитов 3. Однако из теоретических работ и5вестно, что ширина этих каналов составляет порядка ларморовскохо диаметPs электронов. С учетом этого плот ость электронного тока на полюса, обратно пропорциональна величине магнитного поля В. При В 10 Т энерге- . тические затраты на поддержание электройного тока в цепи: анод-магниты малы по отношению к затратам на ионизацию. По сравнению с известным источником поток ионов на боковую стенку снижен за счет того, что в известном источнике имеются каналы утечек ионов на полюса магнитов, а в данной конструкции они отсутствуют. Таким образом, затраты мощности на поддержание пристеночного разряда исключены, дополнительного источника питания определяется током утечек электроков. Для того, чтобы снизить поток ионов на заднюю стенку целесообразно анод 2 основного разряда выполнять в виде кольца, расположенного вблизи задней торцовой стенки. Это и предопределяет положительный эффект изоб.ретения, . . В экспериментах исследовалась модель источника с кольцевыми магнитами из сплава ЮНДК, При расстоянии между полюсами 12 мм магнитное поле составляло 2i10T, При работе на цезии

818366 .6

удельные энергетические затраты (от- вестном источнике. Изобретение позвоношение мощности в разряде к ионному ляет снизить удельные энергозатраты току пучка) не превышали 90 эВ/ион, в источнике на 10-12% при одноврёменчто на 10-12% ниже энергозатрат в из- ном упрощении конструкции источника

1. ИСТОЧНИК ИОНОВ, содержа- !дий газоразрядную камеру, ограничен- ;ную боковой, торцовой стенками и • антикатодом с отверстиями, внутри которой установлены тёрмокатод, анод и кольцевые намагниченные в радиальном направлении магниты, расположенные вдоль боковой стенки камеры с последовательным чередованием полюсов, основной источник питаниявразряда, отрицательный полюс которого соединен с катодом, а положительный - с анодом, а также дополнительный источник питания, отрицательный полюс которого соединен с анодом, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции, магниты изолированы от боковой стенки и электрически соединены с положительным полюсом дополнительного источника питания.2. Источник ПОП.1, отличаю- щ и и с я тем, что, анод выполнен в виде кольца, охватывакщего катод, и установлен параллельно задней торцо- ;вой стенке камеры.(ЛSе0000 СлЭ 05а>&