Импульсный ускоритель ионов металлов

 

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано в качестве генератора ускоренных ионов. Цель изобретения - повышение надежности и стабильности работы. Импульсный ускоритель ионов содержит катод 1 и анод 2 ускоряющей системы. В полости анода 2 установлен генератор плазмы с кольцевой газоразрядной камерой 3 с щелевыми отверстиями. Токоведущие элементы 4 магнитной системы выполнены в форме спирали Архимеда и их внутренние концы соединены с концами токопроводящего стержня 5. Внешние концы токоведущих элементов 4 подключены к аноду 2. Металлический диск 6 закреплен на свободном конце стержня 5, коаксиальная дуговая разрядная камера образована внешней стенкой газоразрядной камеры 3 и цилиндрическим кожухом 7 с торцевыми стенками. Катод 8 выполнен распыляемым, установлен в дуговой разрядной камере напротив ее отверстий. Ускоритель обладает повышенной надежностью и стабильностью работы и обеспечивает повышение тока ионов в 3 раза при снижении тока разряда в 2,5 - 3 раза. 1 ил.

Изобретение относится к ускорительной технике и может использоваться в качестве генератора ускоренных ионов в устройствах технологического назначения в различных отраслях техники, а также при проведении научных исследований. Целью изобретения является повышение надежности и стабильности работы. На чертеже изображена конструктивная схема ускорителя. Импульсный ускоритель ионов содержит катод 1 и анод 2 ускоряющей системы. В полости анода 2 установлен генератор плазмы с кольцевой газоразрядной камерой 3 с щелевыми отверстиями. Токоведущие элементы 4 магнитной системы выполнены в форме спирали Архимеда, и их внутренние концы соединены с концом токопроводящего стержня 5. Источник питания подключен к аноду 2 и катоду 1. Внешние концы токоведущих элементов 4 подключены к аноду 2. В газоразрядную камеру 3 введен металлический диск 6, который установлен напротив ее щелевых отверстий и закреплен на свободном конце токопроводящего стержня 5. Коаксиальная дуговая разрядная камера образована внешней стенкой кольцевой газоразрядной камеры 3 и цилиндрическим кожухом 7 с торцевыми стенками. В торцевой стенке дуговой разрядной камеры, обращенной к катоду 1, выполнено кольцевое отверстие. Катод 8 генератора плазмы выполнен распыляемым, установлен в дуговой разрядной камере напротив ее отверстий и его диаметр равен радиальному размеру кольцевого отверстия в торцевой стенке дуговой разрядной камеры. Дополнительный источник питания отрицательным полюсом подключен к катоду 8 и через дополнительный резистор 9 - к другой разрядной камере, а положительным полюсом - к аноду 2. На чертеже также обозначена дополнительная магнитная система 10. В устройстве могут использоваться несколько катодов 8, изготовленных из разных материалов. Устройство работает следующим образом. Включают дополнительный источник питания. При этом газоразрядная камера 3, соединенная с катодом 8 через резистор 9, оказывается под потенциалом катода 8 и в ней загорается замагниченный разряд. Ионы из плазмы этого разряда под действием поля диска 6 через щелевые отверстия в газоразрядной камере 3 поступают в полость коаксиальной дуговой разрядной камеры и на катод 8, вызывая его распыление и ионизацию распыленного вещества. При этом ток ионов достигает таких значений, при которых падение напряжения на резисторе 9 превышает потенциал зажигания дугового разряда между катодом 8 и стенками дуговой разрядной камеры. Плазма этого разряда заполняет полость анода 2 и сквозь токоведущие элементы 4 проходит в ускоряющий зазор между электродами 2 и 1, на которые в этот момент подают импульс ускоряющего напряжения от источника питания. Под действием поля катода 1 ионы ускоряются до необходимых энергий, а электроды задерживаются магнитным полем токоведущих элементов 4, возбуждаемым проходящим по ним током разряда генератора плазмы. В данном случае источник питания нагружен только ускоряемым током ионов, в то время как в прототипе он нагружается еще емкостным током, проходящим через межэлектродные емкости и током поджигающей дуги. Это свидетельствует об увеличении эффективности ускорителя и повышении его надежности. К повышению надежности, а также стабильности работы ускорителя приводит замена системы поджига с керамическим изолятором на систему с вакуумной изоляцией, выполненную в виде диска, помещенного в кольцевую газоразрядную камеру. В результате этого снижается эрозия катода и исключается разрушение керамики. К повышению надежности и стабильности ускорителя приводит также использование для поджига дуги ионной бомбардировки катода и ионизации распыленных частиц вместо разряда по поверхности изолятора у прототипа. Кроме того, ускоритель способен генерировать многокомпонентные ионные пучки. Для этого дуговые камеры могут быть выполнены в виде сегментов, в которых могут быть установлены катоды из таких металлов, компоненты ионов которых требуется получить. Если у прототипа ток, потребляемый от источника питания, при токе ионов 3,5 кА составлял 60 кА, т.е. эффективность ускорителя составляла ≈5%, то в предложенном ускорителе емкостный ток уменьшен до 3-4%, и эффективность ускорителя увеличилась до 50% (при токе ионов 10-12 кА ток разряда составляет 20 кА). Габович М.Д. Физика и техника плазменных источников ионов. - М.: Атомиздат, 1972. Авторское свидетельство СССР N 1494835, кл. H 05 H 5/00, 1987.

Формула изобретения

Импульсный ускоритель ионов металлов, содержащий катод и анод ускоряющей системы, генератор плазмы с катодом и кольцевой газоразрядной камерой и щелевыми отверстиями, установленный в полости анода ускоряющей системы, магнитную систему с токоведущими элементами, выполненными в форме спирали Архимеда, внутренние концы которых электрически соединены с концом токопроводящего стержня, источник питания, подключенный к электродам ускоряющей системы, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности и стабильности, внешние концы токоведущих элементов магнитной системы подключены к аноду ускоряющей системы, в газоразрядную камеру введен металлический диск, который установлен напротив ее щелевых отверстий и закреплен на свободном конце токопроводящего стержня, в генераторе плазмы выполнена дополнительная коаксиальная дуговая разрядная камера, образованная внешней стенкой кольцевой газоразрядной камеры и дополнительно введенным цилиндрическим кожухом с торцевыми стенками, при этом в торцевой стенке дуговой разрядной камеры, обращенной к катоду ускоряющей системы, выполнено кольцевое отверстие, а катод генератора плазмы выполнен распыляемым, установлен в дуговой разрядной камере напротив ее отверстий и его диаметр выполнен равным радиальному размеру кольцевого отверстия в торцевой стенке дуговой разрядной камеры, кроме того введен дополнительный источник питания, отрицательный полюс которого подключен к катоду генератора плазмы и через дополнительный резистор - к дуговой разрядной камере, а положительный полюс - к аноду ускоряющей системы.

РИСУНКИ

Рисунок 1