Источник постоянного тока водородных ионов

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. Источник постоянного тока водородных ионов со стержневым холодным катодом состоит 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, примыкающего 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, 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. Анод выполнен в виде пустотелого цилиндра с центральной кольцевой перемычкой внутри, с двух сторон в анод до перемычки вставлены два тонкостенных цилиндра из немагнитного металла чем обеспечивается защита катода и изолятора анода от углерода вакуумного масла вакуумного насоса. Технический результат: увеличение ресурса работы ионного источника при режиме постоянного ионного тока в несколько миллиампер. 1 ил.

 

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 тонкостенных цилиндров анода в качестве ловушки вакуумного масла в процессе нагрева цилиндров до температуры крекинга вакуумного масла при работе ионного источника в режиме постоянного тока. Этим обеспечивается защита катода и изолятора анода от углерода вакуумного масла вакуумного насоса.

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 изоляторов диафрагм при тепловых деформациях и при образовании углеродных закороток от крекинга вакуумного масла в объеме разрядной камеры ионного источника, возникающих при интенсификации режима работы ионного источника.

Прототипом изобретения является конструкция (2), которая состоит 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, 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. Недостатком прототипа является ограниченный ресурс ионного источника из-за разрушения анодного изолятора при возникновении углеродных закоторок от продуктов крекинга вакуумного масла в объеме разрядной камеры ионного источника.

Поставленная задача достигается тем, что источник постоянного тока водородных ионов, поперечное сечение которого изображено на чертеже, состоит из соленоидальной катушки 4, надетой на змеевик водяного охлаждения 11, который одет на немагнитную вакуумную камеру 3, внутри которой помещены первый магнитной 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 с кольцевой перемычкой в середине и с двумя тонкостенными цилиндрами 12 из немагнитного тугоплавкого металла, при этом обеспечена затрудненная теплопередача между анодом и цилиндрами, 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, по оси первого магнитного полюса 5, в первом холодном катоде 6 и в вакуумной камере 3 ионного источника выполнено сквозное отверстие, через которые пропущен стержень 1 из тугоплавкого металла (стержневой катод), один конец которого введен в разрядную камеру ионного 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 направлении вдоль оси разрядной камеры источника.

Специфика осциллирующего разряда в рассматриваемом ионном источнике заключается в том, что за счет осевых углублений в первом 5 и втором 9 магнитных полюсах магнитное поле на оси оказывается минимальным, что приводит к дрейфу осциллирующих электронов к оси источника, возникновению термоэмиссии с торца стержневого катода 1 и формированию интенсивного приосевого разряда.

Наряду с интенсивным осциллирующим приосевым разрядом в источнике всегда существует прямой неосциллирующий слаботочный разряд между анодом и катодами, а наличие в объеме разрядной камеры источника паров вакуумного масла вызывает осаждение углерода на всех деталях разрядной камеры. Поэтому тонкостенные цилиндры анода, нагреваемые плазмой разряда в процессе работы ионного источника, работают как ловушка вакуумного масла, предотвращая загрязнение деталей разрядной камеры источника.

Экспериментальная проверка работы источника проводилась при постоянном токе водородных ионов 5 миллиампер.

Использование заявляемого технического решения найдет применение на протонных ускорителях и протонных имплантерах, где необходимо работать при постоянном 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. Дисстертация на соиск. уч. степ. к.т.н., М., 1971 г., с.63 и 75.

2. Лапицкий Ю.Я. Импульсный источник водородных ионов со стержневым холодным катодом. Патент №RU 2249880, С2 Н01J 27/04.

Источник постоянного тока 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, примыкающего 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, 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, отличающийся тем, что анод выполнен в виде пустотелого цилиндра с центральной кольцевой перемычкой внутри, с двух сторон в анод до перемычки вставлены два тонкостенных цилиндра из немагнитного металла, при этом обеспечена затрудненная теплопередача между анодом и цилиндрами.