Ионный диод с внешней магнитной изоляцией
Владельцы патента RU 2288553:
Государственное научное учреждение "Научно-исследовательский институт высоких напряжений при Томском политехническом университете" (RU)
Изобретение относится к области ускорительной техники. Сущность изобретения: ионный диод с внешней магнитной изоляцией содержит кольцевой анод и цилиндрические катоды, две концентрические согласно включенные катушки, размещенные за внешним и внутренним радиусами цилиндрических катодов, и импульсные источники питания. Эмиссионная поверхность анода снабжена кольцевыми канавками с диэлектрическим покрытием или диэлектрическими вставками. Анод выполнен из высокопроводящего материала, а числа витков в обмотках W1 и W2 и центры радиусов их ампервитков R1 и R2 расположены симметрично относительно эмиссионной поверхности анода и соотносятся как W1·R1=W2·R2. Преимущества изобретения заключаются в повышении стабильности генерируемых импульсов. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к ускорительной технике и предназначено для генерации ионных пучков с последующим их использованием для модификации поверхности различных материалов, генерирования нейтронных вспышек и т.д.
Известны несколько различных схем ионных диодов (Патент RU 96113837, МПК 6 Н 05 Н 5/00 от 1997.11.20), в которых предварительную наработку плазмы на поверхности анода производят за счет двухимпульсного режима, электрического пробоя по поверхности диэлектрического покрытия анода (Nakagama Y., Ariyosh Т. // Rev. Sci. Justr. 1990, 61(1). Р.529-531) или инжекции газовой струи перед формированием ускоряющего импульса в диоде (Mekay P.F., Bieg К.W., Olson R.E., et al // Rev. Sci. Justr. 1990, 61(1). Р.559-561). Для подавления электронной компоненты полного тока в ускоряемом промежутке ионного диода создают поперечное магнитное поле относительно вектора напряженности электрического поля.
К недостаткам этих устройств относится то, что повторяемость и стабильность параметров генерируемого ионного пучка от импульса к импульсу определяется однородностью инжекции газовой струи относительно поверхности анода или однородностью образования плазмы при поверхностном пробое диэлектрика анода, требуется синхронизация во времени многих процессов и исполнительных механизмов, что снижает надежность этих устройств.
Наиболее близким к заявляемому устройству является выбранный нами за прототип ионный диод с внешней магнитной изоляцией, описанный в (Davis H.A., Johnston G.P., Olson J.С. et. al. // Appl. Phys. 1999, vol.85(2). Р.713-721), состоящий из двух концентрических катушек, которые расположены у поверхности кольцевого анода. В скрещенном магнитном и электрическом полях электроны в предварительно образованной плазме совершают замкнутый дрейф параллельно поверхности анода, а ионы ускоряются в промежутке диода на небольшом участке ларморовой окружности, и в последующем пространстве дрейфа образуют кольцевой ионный пучок.
Недостатком данного ионного диода является неоднородность образованной плазмы в радиальном сечении диода и значительная локальная эрозия поверхности диэлектрика по краям анода т.к. плазма на поверхности диэлектрика образуется в основном за счет скользящего разряда, инициируемого при бомбардировке диэлектрической вставки анода электронами, эмитированными с острых краев катодных колец. КПД прототипа не превышает 15-25%. Кроме того, при данном способе плазмообразования требуются дополнительные меры по обеспечению повышенной точности установки диодного зазора для обеспечения однородности плазмы в азимутальном направлении.
Основным техническим результатом изобретения является повышение стабильности генерируемых импульсов ионного тока за счет более равномерного плазмообразования на поверхности анода и увеличение КПД преобразования электрической энергии, запасенной в накопителе, в кинетическую энергию ионного пучка. Предложенный ионный диод позволяет по сравнению с прототипом увеличить КПД не менее чем до 60%.
Технический результат предложенного решения достигается тем, что в ионном диоде с внешней магнитной изоляцией, содержащем кольцевой анод и цилиндрические катоды, две концентрические согласно включенные катушки, размещенные за внешним и внутренним радиусами цилиндрических катодов, и импульсные источники питания, согласно предложенному решению эмиссионная поверхность анода снабжена кольцевыми канавками с диэлектрическим покрытием или диэлектрическими вставками, анод выполнен из высокопроводящего материала, а числа витков в обмотках W1 и W2 и центры радиусов их ампервитков R1 и R2 расположены симметрично относительно эмиссионной поверхности анода и соотносятся как W1·R1=W2·R2.
Кроме того, поверхность анода с диэлектрическим покрытием образует сферическую поверхность с центром на оси симметрии ионного диода и содержит больше двух концентрических катушек, равномерно распределенных вдоль эмиссионной поверхности анода.
Целесообразно цилиндрические катоды снабжать короткозамкнутыми витками из материала с высокой электропроводностью, причем за короткозамкнутыми витками расположена сетка или радиально стоящие пластины по сечению ионного пучка.
Пример конкретного выполнения
На фиг.1 приведено осевое сечение конического ионного диода с внешней магнитной изоляцией, на фиг.2 - осевое сечение сферического ионного диода, на фиг.3 - ход силовых линий магнитного поля без проводящих короткозамкнутых магнитных витков (экранов) и при их наличии, а также распределение силовых линий электрического поля при отсутствии облака электронов и его наличии в анод-катодном промежутке, на фиг.4 - приведены эпюры напряжения и токов, на фиг.5 - фотография катодного узла со стороны анода.
Ионный диод (фиг.1) состоит из кольцевого анода 1, который выполнен из материала с высокой электрической проводимостью: меди, алюминия; кольцевой анод 1 снабжен кольцевыми канавками, залитыми диэлектриком 2, образующим эмиссионную поверхность ионного диода, кольцевой анод 1 с кольцевым электродом 3 крепится к высоковольтному электроду 4 ускорителя. Напротив кольцевого анода расположены катоды: внешний 5 и внутренний 6, выполненные из материала с большим удельным сопротивлением: титана, нихрома, нержавеющей стали. Внешний катод 5 крепится к опорному диску 7, а внутренний 6 с помощью шпилек 8 и короткозамкнутого кольца 9, диска 10 из хорошо проводящего материала также крепится к опорному диску 7.
Катушки для создания магнитного поля: внешняя 11 и внутренняя 12 расположены в диэлектрических каркасах 13 и 14. Вывод обмотки внутренней катушки 12 имеет контакт с катодом 6, а другой вывод обмотки через полую шпильку 8 подключен к обмотке внешней катушки 11, второй вывод которой идет к импульсному источнику питания, ток которого создает магнитное поле. Ионный диод помещен в вакуумную камеру 15, относительно которой крепится опорный диск 7 и обеспечиваются цепи токов катодов 5, 6. На короткозамкнутом кольце 9 устанавливается сетка 16 с высокой геометрической прозрачностью, которая перекрывает сечение ионного пучка. На фиг.1 дополнительно обозначено: Z - ось симметрии ионного диода; Z1 - оптическая ось ионного пучка, R1, R2 - радиусы центров ампервитков обмоток катушек 11 и 12; d - положение кромки катода 5 относительно эмиссионной поверхности анода 1; F0, F1, F2, F3 - фокусные расстояния; α - угол при вершине конуса, образуемого ионным пучком.
При применении сферического ионного диода (фиг.2) оптическая ось ионного пучка направлена по радиусу R и фокус F0 выражен в точку на оси Z, а поверхность анода имеет сферическую форму. Для формирования более равномерной плотности линий магнитного поля вдоль сферической поверхности анода в плоскости симметрии R устанавливается дополнительная катушка в слабопроводящих экранах - катодах или несколько катушек симметрично относительно плоскости симметрии R ионного пучка. Этим обеспечивается большая площадь эмиссионной поверхности и равномерность распределения плотности тока по сечению генерируемого ионного пучка.
На фиг.3 показан ход силовых линий магнитного поля 17 (пунктирные линии) катушек 11, 12 в свободном от проводящих поверхностей пространстве, а при наличии проводящего анода и короткозамкнутых витков 9, 10 силовыми линиями 18. Пунктирными линиями 19 показано распределение силовых линий напряженности электрического поля при отсутствии электронного облака, а сплошными линиями 20 - при наличии электронного облака дрейфующих электронов 21 (заштрихованная область) между силовыми линиями магнитного поля 18. 22 - следы дрейфующих электронов на диэлектрике каркаса 13, 14 катушек 11, 12. Кружками 23 показано направление токов в катушках 11,12, а 24 - в теле анода 1 и короткозамкнутых кольцах 9, 10. Vi - направление скорости ионов.
На фиг.4 приведены эпюры напряжения на аноде 25 и токов: 26 - общего тока ускорителя, 27 - ионного тока диода. Кривой Uxx показан потенциал анода в режиме холостого хода.
Принцип работы ионного диода с внешней магнитной изоляцией следующий: на последовательно согласно включенные катушки 11 и 12 подается импульс напряжения, например, путем разряда емкости. При достижении величины тока в катушках 11, 12, достаточной для обеспечения условия
Δ≤dA-K,
где Δ - толщина слоя, в котором электроны движутся при наличии скрещенных электрического и магнитного полей,
dA-K - зазор между анодом и катодом;
подается импульс высокого напряжения на анод от высоковольтного генератора ускорителя.
Величина А определяется из выражения:
где Δ - толщина электронного слоя,
me - масса электрона,
В - индукция магнитного поля в области дрейфа,
E⊥ - напряженность электрического поля,
VII - составляющие скорости электрона в направлении векторов В и E⊥ в момент инжекции из взрывоэмиссионной плазмы.
В момент времени t1 происходит взрывная эмиссия с острых кромок катодов 5, 6 и электроны взрывоэмиссионной плазмы начинают дрейфовать в плоскости силовых линий магнитного поля 18 параллельно поверхности кольцевого анода 1. Ток ионного диода до момента времени t2 имеет только емкостную составляющую, связанную с накоплением заряда в электронном облаке 21, напряжение на кольцевом аноде 1 повышается в условиях, близких к холостому ходу ускорителя (импеданс нагрузки значительно превышает выходное волновое сопротивление высоковольтного генератора ускорителя). Напряженность электрического поля растет и увеличивается толщина Δ слоя дрейфующих электронов. Электроны движутся в слое, параллельном кольцевому аноду 1, со средней скоростью V=Е⊥/В по циклоидам, вершины которых направлены в сторону эмиссионной поверхности кольцевого анода 1, и в момент времени t2 начинают касаться диэлектрика и кольцевых выступов металла кольцевого анода 1, нарабатывая плазму. Чередование областей диэлектрика и металла при наличии кольцевых канавок на поверхности анода на пути дрейфа электронов способствует более однородному плазмообразованию по всей поверхности кольцевого анода 1. При этом скорость электронов направлена по касательной к поверхности кольцевого анода 1 и равна 2V.
В интервале времени t3-t2 генератор ускорителя нагружается током ионов, которые также начинают дрейфовое движение со скоростью V=Е⊥/В, но при этом их ларморовый радиус в mi/me раз больше, чем у электронов. В промежутке d, который является расстоянием от поверхности кольцевого анода 1 до центра тяжести заряда дрейфующих электронов, происходит ускорение ионов. Направление дрейфовой скорости ионов такое же, как и у электронов, но направления отклонения вершин циклоид ионов и электронов противоположны, и ускорение ионов происходит практически по силовым линиям электрического поля 19 на небольшом отрезке кривой, описываемой ларморовым радиусом ионов.
Появление тока переноса в ионном диоде вызывает падение напряжения на внутреннем сопротивлении импульсного источника питания, напряжение 25 перестает расти, электроны не достигают поверхности кольцевого анода 1 и диодный промежуток, образованный поверхностной плотностью положительных зарядов на кольцевом аноде 1 и объемной плотностью электронов в области толщиной Δ, загружается только ионным током с плотностью согласно
где
ε0=8,85·10-12 Ф/м;
е - элементарный заряд (заряд электрона),
mi - масса иона,
Z - кратность ионизации,
U - потенциал анода,
d - ускоряющий промежуток.
Таким образом, образуется жесткая отрицательная обратная связь между количеством нарабатываемых ионов и импедансом высоковольтного источника.
При уменьшении ионного тока потенциал анода снова возрастает, так как уменьшается падение напряжения на внутреннем сопротивлении высоковольтного генератора ускорителя, электроны снова начинают достигать анода и нарабатывать ионы и т.д. При прохождении электронного облака ионы захватывают электроны, компенсируют свой заряд и движутся в дальнейшем по баллистической траектории. В среднем влияние магнитного поля в предлагаемом диоде скомпенсировано, так как заряженные частицы проходят силовые линии магнитного поля со скоростью Vi в разных направлениях, фиг.3.
Электроны в электронном облаке 21 захватываются ионным пучком, часть электронов из облака, расталкивающегося собственным объемным зарядом, стекает по силовым линиям магнитного поля 18, осаждается на диэлектрик 13, 14 (поверхность 22) и стекает на заземленные экраны 9, 10. В течение длительности импульса высокого напряжения от генератора ускорителя электроны в дрейфующем облаке 21 восполняются за счет взрывной эмиссии с острых кромок катодов 5, 6, обращенных к кольцевому аноду 1.
За экранами, которыми являются короткозамкнутые кольца 9, 10, магнитное поле катушек 11, 12 практически отсутствует. С целью полной компенсации объемного заряда ионного пучка устанавливается заземленная сетка 16 высокой прозрачности или металлические пластины. За счет потери части пучка ионов из материала сетки выбиваются электроны (примерно 15-30 электронов на один «погибший» ион) и происходит полная компенсация объемного заряда ионного пучка в области, свободной от внешних электрических и магнитных полей, что позволяет иметь баллистическую фокусировку ионного пучка в фокусе F0.
В ионном диоде, (фиг.1), для обеспечения хода силовых линий параллельно поверхности анода 1 необходимо, чтобы векторный магнитный потенциал катушек 11 и 12 был равным относительно оси Z1 и эмиссионной поверхности анода 1, что выполняется, если числа витков W1 и W2 в обмотках 11 и 12 и центры их ампервитков R1, R2, расположенных симметрично относительно эмиссионной поверхности анода, соотносятся как W1·R1=W2·R2. В этом случае в фокусах F0, F1, F2 будет сплошной ионный пучок с равномерной плотностью тока по сечению пучка. Причем плотность тока в фокусе F0 максимальна и достигает значения 
где j - плотность тока согласно (2), Sa - площадь эмиссионной поверхности анода, равная 
с наружным радиусом RH и внутренним RB, S0 - площадь пятна в фокусе. Размещая в фокусе F0 требуемый материал, можно испарять его ионным пучком и получать абляционную плазму (Zakoutaev A.N., Remnev G.E., Ivanov Yu.F., Arteyev M.S., Matvienko V.M., and Potyomkin A.V. High-rate deposition of thin films by high-intensity pulsed ion beam evaporation. // В сб. «Film Synthesis and Growth Using Energetic Beams», edited by H.A.Atwater, J.T.Dickinson, D.H.Lowndes, and A.Polman - Mater. Res. Soc. Proc., 388, Pittsburgh, PA, 1995, p.388-392.), при осаждении которой на поверхностях, укрепленных на короткозамкпутом диске 10, образуются тонкие пленки испаряемого материала при высокой импульсной скорости осаждения. Помещая детали на большем расстоянии, чем F2, F3, для обеспечения меньшей, чем в фокусе, плотности ионного тока, производят модификацию поверхности изделий: упрочнение, формирование определенного рельефа, фазового и дефектного состояния поверхностного слоя материалов, очистку от загрязнений и пленок и т.д. (Ремнев Г.Е., Погребняк А.Д., Исаков И.Ф. и др. Повышение эксплуатационных характеристик сплавов под действием мощных ионных пучков. // Физика и химия обработки материалов, 1987, в.6, с.4-11; Ремнев Г.Е., Тарбоков В.А., Кузнецов П.В. Структурно-фазовые изменения в поверхностном слое твердосплавного инструмента при воздействии мощного ионного пучка // «Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах». Труды III международной конференции. Томск, Россия, 2002. - С.369-370).
В сферическом ионном диоде с внешней магнитной изоляцией, фиг.2, наряду с баллистической фокусировкой используется электростатическая фокусировка непосредственно в ускоряющем промежутке, и в фокусе F0 плотность ионного тока может быть повышена в 102-103 раз по сравнению с (2). В фокусе F1, фиг.2, можно обеспечивать модификацию поверхности цилиндрических деталей, например обрабатывать режущие кромки фрез, резьбовые соединения труб, или удалять отработавшие ресурс различные функциональные покрытия, в том числе особо стойкие и жаропрочные (Шулов В.А., Ночевная Н.А., Ремнев Г.Е., и др. Ионно-лучевая технология ремонта лопаток компрессора ГТД с использованием мощных ионных пучков наносекундной длительности. // Авиационная промышленность, 1993, №2, с.14-22).
Если в качестве диэлектрика 2 использовать полиэтилен, у которого водород замещен дейтерием, то произойдет получение ионного пучка дейтерия, который можно использовать для генерации нейтронных вспышек на мишени из трансурановых элементов или перенасыщенных нейтронами ядрах, например бериллий 
, а помещая в фокусе F0 дейтерий-тритивые мишени, иметь нейтроны термоядерного синтеза.
Рассмотренный выше ионный диод с внешней магнитной изоляцией по схеме фиг.1 при потенциале на аноде 400 кВ, с выходным волновым сопротивлением источника напряжения ускорителя 40 Ом, длительности импульса 60 нс, обеспечивал КПД формирования ионного пучка более 60% от энергии, запасенной в формирующей линии ускорителя (наносекундном генераторе). При площади анода 80 см2 (RH=80 мм, RB-55 мм) в фокусе F0 при угле α=60° и диаметре пучка в фокусе 4 см получена плотность ионного тока 600 А/см2. На создание внешнего магнитного поля требовалась энергия 300 Дж, что обеспечивал емкостной накопитель емкостью 20·10-6 Ф при напряжении 6 кВ. При этом в свободном от проводящих поверхностей анода 1 индукция магнитного поля 17, фиг.3, была более чем в два раза ниже, чем при наличии анода 1, и силовые линии магнитного поля 18 располагались параллельно эмиссионной поверхности анода.
На фиг.5 приведена фотография катодного узла со стороны анода после более чем 103 срабатываний с параметрами, указанными выше. Отчетливо виден след 22 от выталкиваемых электронов из облака 21 на поверхности диэлектрика 13. Второй след 22 с кромки катода 5 минует диэлектрик 14 и попадает на опорный диск 7 согласно ходу силовых линий магнитного поля.
Таким образом, повышение стабильности тока генерируемых импульсов и КПД преобразования электрической энергии в кинетическую энергию ионного пучка свыше 60% достигается за счет повышения однородности плазмообразования и жесткой обратной связи между величиной электронной компоненты полного тока в ионном диоде при наработке плазмы симметрично по всей эмиссионной поверхности анода и подавления электронной компоненты полного тока диода в ускоряющем зазоре в процессе ускорения ионов. Это позволяет исключить дополнительные схемы и устройства для предварительной наработки плазмы и обеспечить наиболее благоприятные условия для выполнения «закона 3/2» (1) - т.е. для заданного потенциала U иметь наименьшую величину ускоряющего зазора d путем его регулирования величиной и скоростью нарастания магнитного поля от одного источника, используя индуцированные токи в теле анода и короткозамкнутых экранах.
1. Ионный диод с внешней магнитной изоляцией, содержащий кольцевой анод и цилиндрические катоды, две концентрические согласно включенные катушки, размещенные за внешним и внутренним радиусами цилиндрических катодов, и импульсные источники питания, отличающийся тем, что эмиссионная поверхность анода снабжена кольцевыми канавками с диэлектрическим покрытием или диэлектрическими вставками, анод выполнен из высокопроводящего материала, а числа витков в обмотках W1 и W2 и центры радиусов их ампервитков R1 и R2 расположены симметрично относительно эмиссионной поверхности анода, и соотносятся как
W1·R1=W2·R2.
2. Ионный диод по п.1, отличающийся тем, что поверхность анода с диэлектрическим покрытием образует сферическую поверхность с центром на оси симметрии ионного диода и содержит больше двух концентрических катушек, равномерно распределенных вдоль эмиссионной поверхности анода.
3. Ионный диод по п.1 или 2, отличающийся тем, что цилиндрические катоды снабжены короткозамкнутыми витками из материала с высокой электропроводностью, причем за короткозамкнутыми витками расположена сетка или радиально стоящие пластины по сечению ионного пучка.
