Ионный диод с магнитной самоизоляцией



Ионный диод с магнитной самоизоляцией
Ионный диод с магнитной самоизоляцией
Ионный диод с магнитной самоизоляцией
Ионный диод с магнитной самоизоляцией

 


Владельцы патента RU 2606404:

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" (RU)

Изобретение относится к ускорительной технике и предназначено для получения мощных пучков заряженных частиц, которые используются для радиационно-пучкового модифицирования изделий из металлов с целью повышения их эксплуатационных характеристик. Ионный диод с магнитной самоизоляцией содержит потенциальный электрод (1), полосковый заземленный электрод (2), соединенный одной стороной с корпусом камеры, и установленный на заземленном электроде металлический экран (4), который выполнен замкнутым, коробчатой формы. При этом ширина потенциального электрода в 1,5-2 раза больше, чем ширина заземленного электрода. Технический результат - уменьшение расходимости ионного пучка, повышение плотности энергии МИП в фокусе и ее стабильности в серии импульсов. 8 ил.

 

Изобретение относится к ускорительной технике и предназначено для получения мощных пучков заряженных частиц, которые используются для радиационно-пучкового модифицирования изделий из металлов с целью повышения их эксплуатационных характеристик.

Известны диоды с внешней магнитной изоляцией, предназначенные для генерации импульсных мощных ионных пучков (МИП) [Быстрицкий В.М., Диденко А.Н. Мощные ионные пучки. М.: Энергоатомиздат, 1984. 152 с.], состоящие из анода, катода и источника внешнего магнитного поля. МИП формируются путем прямого ускорения ионов из плазмы, образованной на поверхности анода при импульсном пробое по поверхности диэлектрических вставок или при инжекции плазмы в прианодную область от внешнего плазменного источника. Недостатком известного устройства является ограниченный ресурс работы. Кроме того, в таких источниках можно получать пучки с ограниченным типом ионов, определяемым диэлектриком. Диоды с инжекцией плазмы от внешнего плазменного источника принципиально позволяют получать ионные пучки различного состава, но сложны в реализации, поскольку на аноде диода требуется создать достаточно однородный слой плазмы плотностью более 1013 см-3 с возможностью изменять состав плазмы. Дополнительный источник напряжения для создания магнитного поля в диоде, системы синхронизации и ввода плазмы в зазор усложняют конструкцию ионного диода, снижают надежность и эффективность генерации МИП.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является выбранный нами за прототип полосковый ионный диод с магнитной самоизоляцией [G.E. Remnev, I.F. Isakov, et all, High-power ion sources for industrial application // Surf. and Coatings Technol., 1997, vol. 96, pp. 103-109]. Полосковый ионный диод с магнитной самоизоляцией состоит из потенциального электрода и заземленного электрода, соединенного с корпусом камеры с одной стороны. Потенциальный электрод изготовлен из графита длиной 24 см и шириной 4,5 см, заземленный электрод - из полосы нержавеющей стали длиной 28 см, шириной 4,5 см и толщиной 3 мм, с прорезями 0,4 см×5 см, прозрачность 60%. Ширина потенциального и заземленного электродов одинакова. На заземленном электроде установлены экраны, выполненные в виде продольных пластин с прорезями. Для создания плотной плазмы необходимого состава на поверхности потенциального электрода диода используется явление взрывной электронной эмиссии. Поперечное магнитное поле в анод-катодном зазоре формируется собственным током диода при протекании по заземленному электроду. В этой конструкции диода дополнительный источник магнитного поля, система синхронизации и ввода плазмы в зазор не требуются, что значительно упрощает конструкцию генератора МИП.

Ионный диод с магнитной самоизоляцией работает следующим образом. От генератора наносекундных импульсов к потенциальному электроду ионного диода прикладываются сдвоенные разнополярные импульсы - первый отрицательный и второй положительный. В течение первого импульса на поверхности потенциального электрода диода образуется взрывоэмиссионная плазма. В течение второго импульса из взрывоэмиссионной плазмы эмитируют ионы, которые ускоряются в анод-катодном зазоре. Через прорези в заземленном электроде основная часть ионов проходит в область транспортировки МИП. В течение генерации ионного пучка (второй импульс) электроны эмитируют с поверхности заземленного электрода и далее дрейфуют вдоль его поверхности от точки заземления к свободному концу электрода.

Недостатком устройства-прототипа является высокая расходимость ионного пучка при транспортировке от диода до мишени. Ток, протекающий по заземленному электроду, формирует магнитное поле не только в анод-катодном зазоре диода, но и в области транспортировки ионов до мишени. Продольные пластины с прорезями, установленные на заземленном электроде, не обеспечивают достаточное ослабление магнитного поля в области транспортировки МИП. Расходимость ионного пучка достигает 10-11° (половинный угол). Для получения мощных ионных пучков с высокой плотностью энергии при фокусировке необходимо снижать расходимость ионного пучка. Расходимость ионного пучка определяется влиянием паразитных электромагнитных полей в области транспортировки от диода до мишени и искажением электрического поля в А-К зазоре диода.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в снижении расходимости ионного пучка с 10° до 5° и повышении плотности энергии МИП в фокусе с 2-3 Дж/см2 до 10 Дж/см2. Дополнительный технический результат заключается в повышении стабильности работы ионного диода. Стандартная девиация плотности энергии МИП в фокусе диода снизилась в серии импульсов с 10-12% до 5-6%.

Технический результат достигается тем, что в ионном диоде с магнитной самоизоляцией, содержащем потенциальный электрод, полосковый заземленный электрод, который соединен одной стороной с корпусом камеры, и металлический экран, установленный на заземленном электроде, согласно предложенному решению, металлический экран выполнен замкнутым, коробчатой формы, а ширина потенциального электрода в 1,5-2 раза больше, чем ширина заземленного электрода.

Изобретение поясняется графическими материалами. Фиг. 1 - пример выполнения конструкции фокусирующего полоскового диода с магнитной самоизоляцией, где обозначено: 1 - потенциальный электрод, 2 - заземленной электрод, 3 - точка заземления, 4 - экран, 5 - конец диода. Фиг. 2 - сечение А-А фиг. 1. Фиг. 3 - представлено распределение плотности энергии МИП в фокусной плоскости для диода с широким потенциальным электродом и с коробчатым экраном - кривая 6, и узким потенциальным электродом с экранами в виде пластин с прорезями - кривая 7, абсолютные - Фиг. 3а и нормированные - Фиг. 3б значения. Фиг. 4 - представлено изменение плотности энергии МИП в фокусе в серии импульсов для фокусирующего диода с широким потенциальным электродом и с коробчатым экраном - Фиг. 4а, и узким потенциальным электродом с экранами в виде пластин с прорезями - Фиг. 4б. Фиг. 5 - представлен отпечаток МИП на термобумаге. Фиг. 6 - представлено распределение плотности энергии МИП для плоского полоскового диода с широким потенциальным электродом и с коробчатым экраном - Фиг. 6а, и узким потенциальным электродом с экранами в виде пластин с прорезями - Фиг. 6б. Фиг. 7 - ионный диод по прототипу с магнитной самоизоляцией плоской и фокусирующей геометрии. Фиг. 8 - пример конкретного выполнения заявляемого ионного диода с магнитной самоизоляцией плоской и фокусирующей геометрии.

Полосковый ионный диод с магнитной самоизоляцией содержит полосковый потенциальный электрод 1 и полосковый заземленный электрод 2 (фиг. 1). Заземленный электрод соединен с корпусом диодной камеры только с одной стороны в точке заземления 3. В ионном диоде с магнитной самоизоляцией для обеспечения снижения паразитных электромагнитных полей в области транспортировки ионного пучка до мишени на заземленный электрод установлен замкнутый металлический экран 4 (фиг. 1) коробчатой конструкции без прорезей. Для повышения однородности электрического поля в анод-катодном зазоре ионного диода ширина полоскового потенциального электрода 1 превышает в 1,5-2 раза ширину полоскового заземленного электрода 2 (фиг. 2).

При увеличении ширины потенциального электрода более чем в 2 раза по сравнению с заземленным электродом распределение электрического поля в анод-катодном зазоре диода не изменяется, но начинает развиваться электрический пробой между потенциальным электродом и корпусом диодной камеры.

Ионный диод с магнитной самоизоляцией работает следующим образом. От генератора наносекундных импульсов к потенциальному электроду 1 ионного диода прикладываются сдвоенные разнополярные импульсы - первый отрицательный (300-500 нс, 100-150 кВ) и второй положительный (120 нс, 250-300 кВ). В течение первого импульса на поверхности графитового потенциального электрода 1 образуется взрывоэмиссионная плазма. В течение второго импульса из взрывоэмиссионной плазмы потенциального электрода 1 эмитируют ионы, которые ускоряются в анод-катодном зазоре. Затем основная часть ионов проходит в область транспортировки МИП. В течение генерации ионного пучка (второй импульс) электроны эмитируют с поверхности заземленного электрода 2. При этом электроны движутся по заземленному электроду 2 от точки заземления 3 к точке эмиссии, формируя магнитное поле в зазоре, вектор магнитной индукции которого перпендикулярен вектору напряженности электрического поля. В скрещенных электрическом и магнитном полях (B⊥E) под действием силы Лоренца последующие электроны меняют направление движения от поперечного (с заземленного электрода к потенциальному) к продольному вдоль поверхности заземленного электрода 2 к концу диода 5.

Пример конкретного выполнения 1. Потенциальный электрод 1 фокусирующего полоскового диода изготовлен из графита длиной 22 см и шириной 9 см, рабочая сторона потенциального электрода имеет полуцилиндрическую поверхность радиусом 15 см. Заземленный электрод 2 выполнен из полосы нержавеющей стали длиной 24 см, толщиной 0,2 см и шириной 4,5 см. Рабочая поверхность заземленного электрода 2 выполнена полуцилиндрической с радиусом изгиба 14,5 см, с прорезями 0,4 см×2 см. На заземленный электрод 2 установлен экран 4 коробчатой конструкции, выполненный из нержавеющей стали толщиной 1 мм. Ширина экрана 4 (по радиусу) составляла 10 см. На фиг. 3 показано распределение плотности энергии МИП в ионном диоде с узким потенциальным электродом (по прототипу, Фиг. 7) и в ионном диоде с широким потенциальным электродом и с коробчатым экраном (по заявляемому устройству, Фиг. 8). Из фиг. 3 видно, что расходимость МИП в ионном диоде с широким потенциальным электродом и с коробчатым экраном ниже и составляет 5°. Плотность энергии МИП в фокусе при этом возросла до 10 Дж/см2. Изменение конструкции фокусирующего диода увеличило стабильность плотности энергии МИП в фокусе в серии импульсов. На фиг. 4 приведены результаты статистических исследований. Стандартная девиация плотности энергии МИП в серии импульсов снизилась с 10-15% до 5-6%.

Пример конкретного выполнения 2. Потенциальный электрод 1 плоского полоскового диода изготовлен из графита длиной 22 см и шириной 8 см. Заземленный электрод 2 выполнен из полосы нержавеющей стали длиной 24 см, толщиной 0,2 см и шириной 4,5 см. Рабочая поверхность заземленного электрода выполнена с прорезями 0,4 см×2 см, Фиг. 8. На заземленный электрод 2 установлен экран 4 коробчатой конструкции без прорезей, выполненный из нержавеющей стали толщиной 1 мм. Ширина экрана (по направлению движения ионов) составляла 6 см. На фиг. 5 приведены результаты измерения расходимости пучка камерой-обскурой. Отверстия в диафрагме 2 мм, расстояние от диафрагмы до термобумаги 50 мм, средний диаметр отпечатка МИП на термобумаге 5 мм. Измерения показали, что расходимость ионного пучка в области транспортировки не превышает 3° (половинный угол). На фиг. 6 приведено распределение плотности энергии мощного ионного пучка в плоском полосковом диоде. Изменение конструкции плоского полоскового диода увеличило однородность плотности энергии МИП в поперечном сечении.

Таким образом, установка на заземленный электрод металлического экрана коробчатой конструкции без прорезей и использование потенциального электрода шириной в 1,5-2 раза больше, чем ширина заземленного электрода, позволяют уменьшить расходимость ионного пучка, повысить плотность энергии МИП в фокусе и ее стабильность в серии импульсов.

Ионный диод с магнитной самоизоляцией, содержащий потенциальный электрод, полосковый заземленный электрод, который соединен одной стороной с корпусом камеры, и металлический экран, установленный на заземленном электроде, отличающийся тем, что металлический экран выполнен замкнутым, коробчатой формы, а ширина потенциального электрода в 1,5-2 раза больше, чем ширина заземленного электрода.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области ускорительной техники. Система СВЧ-излучения с двумя трактами; при этом один тракт может быть напрямую соединен с ускорительной трубкой, а второй тракт может быть подведен к ускорительной трубке после того, как величина мощности СВЧ-излучения будет изменена устройством регулирования мощности, таким как аттенюатор, делитель мощности, компрессор импульсов или усилитель.

Импульсный ионный ускоритель предназначен для получения мощных пучков заряженных частиц. Ускоритель содержит генератор импульсного напряжения (1) и установленные в корпусе основной и предварительный газовые разрядники (4, 7), двойную формирующую линию, средний электрод (3) которой соединен с генератором импульсного напряжения (1) и через основной газовый разрядник (4) с корпусом ускорителя, а также вакуумный полосковый диод, потенциальный электрод (6) которого соединен через предварительный газовый разрядник (7) с внутренним электродом (5) двойной формирующей линии.

Изобретение относится к ускорителю для ускорения заряженных частиц. Заявленное устройство содержит множество линий задержки, которые проходят к траектории луча и которые в направлении траектории луча размещены друг за другом, причем по меньшей мере некоторые из линий задержки по отношению к траектории луча повернуты относительно друг друга.

Изобретение относится к области физики и техники пучков заявленных частиц, конкретно к технике линейных ускорителей. Заявленный линейный ускоритель электронов может быть использован в области физики, медицины и радиационных технологий стерилизации медицинских изделий, рентгенографической инспекции крупногабаритных грузов, контроля толстостенных металлических объектов.

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано в области физики частиц высоких энергий, промышленности, медицины и научных исследований. .

Изобретение относится к области физики пучков заряженных частиц и ускорительной техники, в частности к технологии ускорения электронов в импульсном линейном ускорителе с регулируемой энергией пучка, более конкретно к способу генерации тормозного излучения с поимпульсным переключением энергии и к конструкции линейного ускорителя электронов, предназначенного для досмотровых комплексов.

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано в линейных индукционных ускорителях сильноточных (более 1 кА) импульсных (менее 1 с) пучков электронов при их ускорении и/или транспортировке в протяженных (более 1 м) вакуумных трактах.

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для генерации электронных и ионных пучков микросекундной длительности с высокой частотой следования импульсов.

Изобретение относится к технике ускорителей для радиационных технологий с выводом электронов из корпуса ускорителя, которые могут быть использованы в новых плазменно-химических технологиях.

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при создании резонансных ускорителей промышленного назначения. .

Изобретение представляет собой способ генерации тормозного излучения с поимпульсным переключением энергии и источник для его осуществления с независимым регулированием мощности дозы излучения для каждой энергии. В основе источника лежит ускоряющая структура со стоячей волной, питаемая многолучевым клистроном. Поимпульсное переключение энергии ускоренного пучка электронов между двумя значениями достигается за счет переключения амплитуды импульса высокого напряжения, питающего клистрон от импульса к импульсу. При этом импульсы входной высокочастотной мощности клистрона для низкой и высокой энергии имеют одинаковую амплитуду и генерируются на одинаковой частоте, изменяющейся в соответствии с изменением резонансной частоты ускоряющейся структуры. Обеспечение требуемой мощности дозы осуществляется переключением от импульса к импульсу напряжения управляющего электрода электронной пушки. Технический результат - увеличение срока службы клистрона, повышение стабильности параметров ускоренного пучка для каждой энергии и снижение энергопотребления ускорителя частиц. 2 н. и 19 з.п. ф-лы, 4 ил.
Наверх