Источник ионов

 

1 .ИСТОЧНИК ИОНОВ,содержащий газоразрядную камеру, образованную цилиндрической боковой, запней и перфорированной передней стенками, выполненными из немагнитного матеоиала , ВНУТРИ котооой оазмещены катод и анод, ионно-оптическую систему, установленную со стороны передней стенки камеры, внешнюю по отношению к камере многополюсную магнитную систему, полюса которой расположены вдоль образующей боковой стенки камеры , а также источник питания разряда , отличающийся тем, что, с целью упрощения магнитной системы путем снижения рабочей индукции магнитного поля, внутри камеры между полюсами магнитной системы установлены дополнительные электроды и введен дополнительный источник питания разряда, положительный полюс которого соединен с дополнительными электродами, а отрицательный - с аидом, при этом боковая стенка камеры i электрически соединена с катодом. 2. Источник ионов по п. 1, о т (Л ли чающийся тем, что магнитная система .выполнена так, что формируется магнитное поле с максимумом напряженности, отстоящее от боковой стенки внутрь камеры, а дополнительные электроды установлены между боковой стенкой камеры и местонахожг дением максимума магнитного поля. ел 4ib ОО

„„SU „„1040543

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

g g) Н 01 J 27/04

f I.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ», ;: ::, »!»

Н ABTOPCXOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

rIO ДЕЛАМ ИЭОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 2897130/18-25 (22) 21.03.80 (46) 07.09.83. Бюл. М 33 (72) В.А,Обухов, В.Г.Григорьян, Д.Б.Ломоносов, В.И.Иванов и В,А.Кротков (7l) Московский ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции авиационный институт им. Серго Орджоникидзе (53) 621.385(088,8) (56) 1. Патент США II 3304718, ка, 60-202, опублик. 1967.

2. Stirl i.ng Ч.L. The 15- »»., ion

sonrce-duopigatron Review of Seientifle Instruments ° 1977 48, N 5, р, 533 (прототип). (54)(57)1.ИСТОЧНИК. ИОНОВ, содержащий газоразрядную камеру, образованную цилиндрической боковой, зааней и перфорированной передней стенками. выполненными из немагнитного материала, внутри которой размещены катод и анод, ионно-оптическую систему, установленную со стороны передней стенки камеры, внешнюю по отношению к камере многополюсную магнитную систему, полюса которой расположены вдоль образующей боковой стенки камеры, а также источник питания разряда, отличающийся тем, что, с целью упрощения магнитной системы путем снижения рабочей индукции магнитного поля, внутри камеры между полюсами магнитной системы уста-. новлены дополнительные электроды и введен дополнительный источник питания разряда, положительный полюс которого соединен с дополнительными электродами, а отрицательный - с ан-дом, при этом боковая стенка камеры электрически соединена с катодом.

2, Источник ионов по и. 1, о т л и ч а ю шийся тем, что магнитная система, выполнена так, что фор-. мируется магнитное поле с максимумом напряженности, отстоящее от боковой стенки внутрь камеры, а дополнительные электроды установлены между боковой стенкой камеры и местонахождением максимума магнитного поля.

1 1040

Изобретение относится к ускорителям и инжекторам ионов с газоразрядными источникам:: .юнов и может быть использовано в ионнолучевой технологии, космической технике, при разработке установок термоядерного синтеза.

Известен газоразрядный источник ионов, в котором ионизация рабочего вещества осуществляется в разряде 10

Пеннинга (в скрещенных Ехй полях), с однородным аксиальным магнитным полем, протяженным анодом и горячим катодом. Извлечение, формирование и ускорение ионного пучка производится с помощью ионно-оптической системы электростатического типа (1), Известному источнику присущи недостатки, связанные с высокими энергетическими затратами на ионизацию (на уровне б00 эВ/ион для ртути) и неоднородным распределением плотности ионного тока по радиусу пучка (+503 и выше).

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является источник ионов, содержащий газоразрядную камеру, образованную цилиндрической боковой, задней и перфорированной передней стенками, выполненными из немагнитного материала внутри которой размещены катод и анод, ионно-оптическую систему, установленную со стороны передней стенки камеры, внешнюю по отношению к камере многополюсную магнитную систему, 35 полюса которой расположены вдоль образующей боковой стенки камеры, а также источник питания разряда (2 1.

В известном источнике магнитная

40 система выполнена в виде продольных,намагниченных в поперечном направ-, лении магнитов, расположенных равномерно по боковой стенке с наружной стороны газоразрядной камеры с

45 последовательным чередованием полюсов на противоположные. В результате вблизи боковой стенки камеры обра" зуется область спадающего к оси камеры магнитного поля, в которой электроны замагничены, и их дрейф на стенку затруднен.

Так как в основном объеме камеры магнитное поле слабо, действие силы Лоренца не проявляется, в силу чего отсутствуют причины появления градиентов параметров плазмы в поперечном направлении за исключением пристеночной области, которая

543 2 узка. В результате в известном ис° точнике достигается высокая равномерность распределения плотности тока по пучку. Боковая стенка известного источника поддерживается под плавающим (электрически изолирована оТ катодов I и анода) или анодным (электрически соединена с анодом) потенциалом. В обоих случаях из-за замагниченности электронов потенциал стенки положителен по отношению к катоду и близок к потенциалу плазмы источника. В результате велико выпадение ионов на боковую стенку из объема камеры,, поскольку отсутствует потенциальный барьер, препятствующий их выпадению. Это приводит к снижению газовой экономичности источника и повышению энергозатрат на повторную ионизацию прорекомбинировавших на стенке ионов.

Чтобы предотвратить указанные потери ионов, приходится использовать сильное .магнитное поле с индукцией на уровне (1-2 ) ° 10 Тл. Получение та ких полей с помощью постоянных магнитев .затруднительно, а магнитная система на базе электромагнитов сложна в конструктивном отношении.

Цель изобретения - упрощение конструкции магнитной системы путем . снижения рабочей индукции магнитного поля, Поставленная цель достигается тем, что в источнике, содержащем газоразрядную камеру, образованную цилиндрической боковой, задней и перфорированной передней стенками, выполненными из немагнитного материала, внутри которой размещены катод и анод, ионно-оптическую систему, установленную со стороны передней стенки камеры, внешнюю по отношению к камере многополюсную магнитную систему, полюса которой расположены вдоль образующей боковой стенки камеры, а также источник питания разряда, внутри камеры между полюсами магнитной системы установлены дополнительные электроды и введен дополнительный источник питания разряда, положительный полюс которого соединен с дополнительными электродами, а отрицательный - с анодом, при этом боковая стенка камеры электрически соединена с катодом.

Кроме того, магнитная система может быть выполнена так, что формиру3 10405 ет магнитное поле с максимумом напряженности, отстоящее от боковой стенки внутрь камеры, а дополнительные электроды установлены между боковой стенкой камеры и место" положением максимума магнитного поля.

На фиг. 1 показан источник, продольный разрез; на фиг. 2 - то же, поперечный разрез; на фиг. 3схема ячейки пристеночной области. 10

Источник содержит газоразрядную камеру, образованную цилиндрической боковой стенкой 1, например прямоугольного сечения, задней торцовбй стенкой 2 и перфорированной передней стенкой 3. Внутри камеры расположены термокатод 4 и анод 5, который одновременно может. выполнять роль газораспределителя. Ионно-оптическая система установлена со стороны перфорированной передней стенки. и содержит ускоряющий 6 и замедляющий 7 электроды. Замедляющий элек- трод может быть кольцевым или пер-:. форированным с отверстиями, сооснвми. отверстиям в передней стенке 3 и ускоряющем электроде 6. Отверстия в электродах могут быть выполнены как в виде щелей, так и круглыми. .Все элементы изготовлены из немагнитного материала., Магнитная система установлена снаружи камеры и является многополюсной с четным числом полюсов. Она может быть образована, например, системой постоянных магнитов, уста-:. новленных на боковой стенке камеры 1 вдоль ее образующей и намагниченныхв поперечном направлении. Таким об- " разом, вблизи боковой стенки источ» . ника формируется знакопеременное .магнитное поле, быстро спадающее по нормали от стенки камеры. Между . каждой парой разноименных полюсов боковой стенки (но .в обьеме камеры) установлены дополнительные электро- 45 ды 8, выполненные из немагнитного материала, например из нержавеющей стали. Катод и стенки камеры, вклю- . чая боковую 1, электрически соединены с катодом, а анод 5 и дополнительные электроды 8 электрическиизолированы от стенок. Источник 9 питания разряда подключен к катоду

4 и аноду 5 обычным образом. Кроме того, введен дополнительный источник 55

10 питания, положительный полюс-которого соединен с дополнительными электродами 8, а отрицательный - с

43 4 анодом 5. Кроме того, имеются два высоковольтных .источника 11 и 12 питания. Источник 11 подключен положительным полюсом к стенкам камеры, а отрицательным - к замедляющему электроду 7. Отрицательный полюс источника 12 подключен к ускоряющему 6, а положительный - к замедляющему 7 электродам. Магнитная система образована постоянными магнитами 13, которые могут быть окI ружены магнитопроводом 14. На фиг.2 и 3 показаны, кроме того, силовые линии магнитного поля, магнитная индукция В, напряженность Е электрического поля и холловский ток электронов

Источнйк работает следующим образом. !

После прогрева термокатода 4, подачи рабочего газа и напряжения от источников 9 и 10 в газоразрядной камере зажигается разряд между катодом 4, анодом 5 и дополнительными электродами 8. Разряд может инициироваться с помощью цепи поджига (не показана).. После этого подается напряжение от источников 11 и 12 питания. Образующиеся в разряде ионы попадают в отверстия передней стенки 3 и ускоряются в ионно-оптической системе. В силу известных физических особенностей разряда данного типа потенциал плазмы в газоразрядной камере близок к потенциалу анода. До" полнительные электроды 8 поддержива". ются под более высоким (порядка 3-5 В ) по отношению к плазме потенциалом с помощью дополнительного источника

9 питания. Вблизи дополнительных электродов 8 (фиг. 3) устанавлива" ется зона разряда со скрещенными

Е, Н полями, в которой напряженность магнитного поля Н параллельна дополнительным электродам 8, а напряженность электрического поля Е направлена нормально к электродам 8 внутрь обьема камеры. ДПя эффективного поддержания поля Е требуется выполнение замкнутости (или квазизамкнутости) дрейфового тока электронов jq . В данном случае этот ток направлен вдоль образующей боковой стенки. Перемыкание токов, протекающих в соседних пристеночных ячейках, происходит вблизи задней и перед ней торцовых стенок камеры. 3 этих условиях происходит эффективное удержание ионного компонента плазмы, Использование изобретения позволяет упростить магнитную систему источника путем снижения рабочей ин25 дукции магнитного поля в 5-8 раз.

S Е04054 температура которого может быть близка к температуре стенки. Из более детального рассмотрения процессов в слое удержания ионов следует, что энергетические затраты на поддержание такого слоя зависят от проводимости плазмы поперек магнитного поля.

Анализ устойчивости слоя показывает, что наименьшая проводимость слоя в том случае, если дополнительные 10 электроды 8 расположены в области спадающего по направлению к ним магнитного поля (фиг, 3). B этом случае, проводимость слоя обратно пропорцио" нальна В . Укаэанное условие может 15 быть выполнено, если магнитная система создает поле такой конфигураЦии что максимум магнитного поля отстоит от боковой стенки на некотором расстоянии. Как показывают расчеты, про- 20 веденные для постоянных магнитов прямоугольного сечения, охваченных магнитопроводом (фиг. 2),данные условия выполняются. Величина градиента поля может задаваться конфигурацией магнитов. Величина магнитного поля в месте расположения электродов

8 рассчитывается из условий замагниченности электронов и незамагниченности ионов по известным соотношениям. В практически важных случаях в зависимости от рода рабочего газа магнитная индукция может составлять (1-4) 10 Тл. Подобные поля легко обеспечиваются как с помощью электромагнитов, так и постоянных магнитов. Одно из главных преимуществ рабочего процесса заключается в том, что уже при столь умеренных полях снижается рекомбинация ионов на боковой стенке камеры, в результате повышается газовая экономичность источника и снижаются энергоэатраты, связанные с повторной иониэацией атомов.

3040543

14

Pug. У

Составитель А.Рахимов

Редактор С.Вско Техред И. Иетелева Корректор О.Тигор

Заказ 6940/55 Тираж 703 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Иосква, Ж-35, Рауаская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4