Импульсный источник водородных ионов со стержневым холодным катодом

Использование: ускорительная техника. Сущность изобретения: использование стержневого катода с дистанционно управляемым механизмом для перемещения катода вдоль оси позволяет оптимизировать работу ионного источника. Техническим результатом изобретения является увеличение ресурса работы импульсного источника водородных ионов при среднем ионном токе в несколько миллиампер. 1 ил.

 

Использование: изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано в научной деятельности и технологических процессах, в которых используются пучки водородных ионов со средней интенсивностью тока в несколько миллиампер.

Сущность изобретения: использование стержневого холодного катода с механизмом дистанционного перемещения вдоль оси ионного источника в прямом и обратном направлениях позволит при средних ионных токах в несколько миллиампер найти оптимальные условия работы ионного источника, при которых ресурс ионного источника максимален.

Известна конструкция протонного источника с катодной иглой (1), в которой первый катод содержит вольфрамовый стержень с конусообразным острием. Длина стержня выбрана так, что острие оказывается внутри анода. Для ограничения прямого разряда между анодом и катодами в зазорах между ними введено несколько диафрагм под “плавающими” потенциалами.

Недостатком конструкции является ограничение среднего ионного тока величиной 0,5 миллиампера из-за разрушения изолятора диафрагм при тепловых деформациях, возникающих при интенсификации режима работы ионного источника.

Прототипом изобретения является конструкция (2), которая содержит первый холодный катод источника из нержавеющей стали. По оси источника в углублении первого катода установлен конус из вольфрама. Первый катод примыкает к первому магнитному полюсу, в центре которого имеется углубление для катода. Второй холодный катод выполнен из нержавеющей стали с центральным углублением, меньшим, чем у первого катода. В центре второго катода выполнено отверстие эмиссии. Второй катод своей выступающей частью вставлен в углубление второго магнитного полюса. Анод в виде пустотелого цилиндра выполнен из нержавеющей стали. По оси катодов и анода создается магнитное поле с помощью соленоидальной катушки. Недостатком прототипа является ограниченный ресурс ионного источника, т.к при интенсификации режима работы источника ускоряется процесс укорочения вершины катодного конуса из-за распыления под действием интенсивной ионной бомбардировки.

Поставленная задача достигается тем, что импульсный источник водородных ионов, поперечное сечение которого изображено на чертеже, состоит из соленоидальной катушки 4, надетой на немагнитную вакуумную камеру 3, внутри которой помещены первый магнитный полюс 5 с центральным углублением, первый катод 6 из нержавеющей стали в виде плоского диска с центральным углублением в виде стакана, примыкающего к первому магнитному полюсу 5, анода 7 в виде пустотелого цилиндра, выполненного из нержавеющей стали, второго холодного катода 8 в виде диска, выполненного из нержавеющей стали, по оси которого выполнено углубление с отверстием эмиссии в центре, своей выступающей частью вставленного в отверстие второго магнитного полюса 9, отличается тем, что по оси первого магнитного полюса 5, первого холодного катода 6 и вакуумной камеры 3 ионного источника выполнено сквозное отверстие, через который пропущен стержень 1 из тугоплавкого металла (стержневой катод), один конец которого введен в разрядную камеру ионною источника и является рабочей частью стержневого катода (1), а второй конец соединен с механизмом (2), с помощью которого осуществляется перемещение стержня в прямом и обратном направлениях вдоль оси разрядной камеры ионного источника.

Специфика осциллирующего разряда в рассматриваемом ионном источнике заключается в том, что за счет осевых отверстий в первом (5) и втором (9) магнитных полюсах магнитное поле на оси оказывается минимальным, что приводит к дрейфу осциллирующих электронов к оси источника, формированию по интенсивного приосевого разряда и возникновению катодных пятен на торце стержневого катода (1). Известно, что стабильность работы ионного источника определяется стабильностью положения катодных пятен. Также известно, что стабильность положения катодных пятен возможна при слабом осевом магнитном поле, где линии магнитного поля нормальны к поверхности катода (1), поэтому использование стержневого катода (1), диаметром не превышающим диаметра приосевой области, где магнитные силовые линии еще параллельны оси разрядной камеры (5), не приводит к нарушению стабильности работы источника. В то же время использование стержневого катода (1), перемещение которого вдоль оси осуществляется с помощью дистанционно управляемого механизма (2), позволяет быстро восстановить рабочий режим ионного источника при его нарушении из-за распыления торцевой рабочей части стержневого катода (1). Восстановление режима работы осуществляется дозированным перемещением стержневого катода (1) по направлению к аноду (7) ионного источника.

Кроме того, использование дистанционно перемещаемого стержневого катода (1) позволяет оптимизировать режим работы ионного источника с целью существенного увеличения его ресурса. Экспериментальная проверка работы источника проводилась при частоте импульсов 50 Гц, длительности импульсов 1,3 мс и среднем ионном токе больше 0,5 мА.

Использование заявляемого технического решения найдет применение на протонных ускорителях и протонных имплантерах, где необходимо работать при среднем ионном токе в несколько миллиампер.

Литература

1. Лапицкий Ю.Я. Усовершенствование электростатического инжектора синхротрона на 7 ГэВ и разработка импульсных протонных источников с большим током. Диссертация на соиск. уЧ.степ.к.т.н., М., 1971 г., с.63 и 75.

2. ВЛ.Ауслендер, В.Н.Лазарев, А.Д.Панфилов, ПТЭ, 1979, №4, с.33.

Импульсный источник водородных ионов со стержневым холодным катодом, состоящий из соленоидальной катушки, надетой на немагнитную вакуумную камеру, внутри которой помещены первый магнитный полюс с центральным углублением, первый катод из нержавеющей стали в виде плоского диска с центральным углублением в виде стакана, примыкающий к первому магнитному полюсу, анода в виде пустотелого цилиндра, выполненного из нержавеющей стали, второго холодного катода в виде диска, выполненного из нержавеющей стали, по оси которого выполнено углубление с отверстием эмиссии в центре, своей выступающей частью вставленного в отверстие второго магнитного полюса, отличающийся тем, что в первом магнитном полюсе, в первом холодном катоде и в вакуумной камере ионного источника выполнено сквозное отверстие, через которые пропущен стержень из тугоплавкого металла, один конец которого введен в разрядную камеру ионного источника, а второй конец соединен с механизмом, с помощью которого осуществляется перемещение стержня в прямом и обратном направлении вдоль оси разрядной камеры источника.