Импульсный источник ионов гелия
Владельцы патента RU 2642921:
Федеральное государственное бюджетное учреждение "Институт теоретической и экспериментальной физики имени А.И. Алиханова Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" (НИЦ "Курчатовский институт" - ИТЭФ) (RU)
Изобретение относится к области ускорительной техники. Импульсный источник ионов гелия с холодными катодом и антикатодом состоит из соленоидальной катушки, надетой на немагнитную вакуумную камеру, внутри которой помещены катодный магнитный полюс с центральным углублением, катод из нержавеющей стали в виде плоского диска с центральным углублением в виде стакана, примыкающий к катодному магнитному полюсу, кольцевой анодный изолятор, анод в виде пустотелого цилиндра с кольцевой перемычкой в середине, выполненный из нержавеющей стали, антикатод в виде диска, выполненный из нержавеющей стали, по оси которого выполнено углубление с отверстием эмиссии в центре, своей выступающей частью вставленный в отверстие антикатодного магнитного полюса. На антикатоде выполнен кольцевой выступ, соосный с анодом и расположенный по направлению к аноду, диаметр выступа больше, чем диаметр стакана в катоде, но меньше, чем внутренний диаметр анода. Технический результат - стабилизации плотности разряда по оси отверстия ионной эмиссии. Устройство обеспечивает получение импульсного пучка ионов гелия при частоте импульсов 16-50 Гц, длительности импульсов синусоидальной формы по основанию импульса 100×10-6 с и амплитуде тока ионного пучка 80×10-3 А. 1 ил.
Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано в научной деятельности и технологических процессах, в которых используются пучки ионов гелия при среднем ионном токе более 50×10-6 А.
Если бомбардировать мишень с дейтерием ионами 3Не+1 с энергией 150…200 кэВ, возникает ядерная реакция с выходом протонов с энергией 18 МэВ, которые можно использовать для моделирования протонной составляющей радиационного пояса Земли при испытании аппаратуры космических спутников.
Сущность изобретения: использование кольцевого выступа на антикатоде для ограничения расширения канала разряда в гелии с целью стабилизации и интенсификации плотности разряда по оси отверстия ионной эмиссии. Известна конструкция источника с катодным конусом высокочастотных импульсов ионов водорода (RU 2231162, 20.06.2004), который содержит соленоидальную катушку, надетую на немагнитную вакуумную камеру, внутри которой помещены два магнитных полюса с круглым углублением в центре, катод и антикатод с отверстием эмиссии, анод в виде цилиндра с отверстием. В центре катода установлен конус из тугоплавкого материала, который обеспечивает стабильное положение канала разряда относительно оси ионного источника, если рабочим газом является водород. Механизм стабилизации положения канала разряда связан с возникновением в водородной плазме отрицательных ионов Н-. При использовании гелия в такой конструкции источника получить стабильное положение канала разряда не удается.
Прототипом изобретения является конструкция (RU 2249880, 10.04.2005), которая содержит вакуумную камеру, на которую надета соленоидальная катушка. Внутри камеры помещены катодный магнитный полюс с центральным углублением, катод из нержавеющей стали в виде плоского диска с центральным выступом в виде стакана, примыкающий к катодному магнитному полюсу, анод в виде пустотелого цилиндра, выполненного из нержавеющей стали, антикатод в виде диска, выполненного из нержавеющей стали, по оси которого выполнено углубление с отверстием эмиссии, в центре своей выступающей частью вставленный в отверстие антикатодного магнитного полюса. По оси вакуумной камеры, катодного магнитного полюса и катода выполнено сквозное отверстие, через которое пропущен стержень из тугоплавкого металла, торцевая часть стержня, выступающая из катода, является рабочей частью стержневого катода.
Специфика стабильного разряда в рассматриваемом ионном источнике заключается в том, что за счет осевых углублений в магнитных полюсах продольное магнитное поле на оси оказывается минимальным, что приводит к дрейфу осциллирующих электронов к оси источника, формированию интенсивного приосевого разряда и возникновению катодных пятен на торце стержневого катода. Стабильность работы ионного источника определяется стабильностью положения катодных пятен. Стабильность положения катодных пятен возможна при слабом осевом магнитном поле, где линии магнитного поля нормальны к поверхности катода. Все это достигается, если в качестве рабочего газа в рассматриваемом ионном источнике используется водород. Высокая теплопроводность водорода и его достаточно высокое сродство к электрону обеспечивают работу сложного механизма формирования канала разряда с высокой и стабильной плотностью по оси источника.
Техническая проблема заключается в том, что если в качестве рабочего газа в ближайшем аналоге использовать гелий, механизм формирования стабильного канала разряда нарушается из-за отсутствия в разряде отрицательно заряженных ионов.
В связи с этим возникает задача обеспечить получение импульсного источника ионов гелия с целью стабилизации плотности разряда по оси отверстия ионной эмиссии.
Поставленная задача достигается тем, что импульсный источник ионов гелия, поперечное сечение которого изображено на чертеже, состоит из соленоидальной катушки (1), надетой на немагнитную вакуумную камеру (2), внутри которой помещены катодный магнитный полюс (3) с центральным углублением, катод (4) из нержавеющей стали в виде плоского диска с центральным выступом в виде стакана, примыкающий к катодному магнитному полюсу (3), кольцевой анодный изолятор (5), анод (6) в виде пустотелого цилиндра с кольцевой перемычкой в середине, выполненный из нержавеющей стали, антикатод (7) из нержавеющей стали, по оси которого выполнено углубление с отверстием эмиссии в центре, своей выступающей частью вставленный в отверстие антикатодного магнитного полюса (8), отличающийся тем, что на антикатоде (7) выполнен кольцевой выступ (7''), соосный с анодом (6) и ориентированный по направлению к аноду (6), внутренний диаметр выступа больше, чем внутренний диаметр стакана в катоде (4), но меньше чем внутренний диаметр анода (6). Плоская часть (7') внутри кольцевого выступа (7'') является активной эмиссионной поверхностью антикатода.
В рассматриваемой конструкции импульсного источника ионов гелия при поджиге разряда в начальный момент работает только механизм ион-электронной эмиссии. Плотность разряда невелика, а увеличение тока разряда происходит только за счет увеличения диаметра канала разряда. Введение кольцевого выступа на антикатоде, с одной стороны, экранирует от поля анода близкие к кольцевому выступу поверхности антикатода, препятствуя расширению канала разряда, а с другой стороны, торцевая 7'' и внутренняя 7' части кольцевого выступа оказываются в наиболее благоприятном для возникновения «катодных пятен» месте. Область возникновения «катодных пятен» оказывается на строго фиксированном расстоянии относительно оси ионного источника, обеспечивая подпитку электронами объем разряда. Но так как источнике постоянно обеспечиваются условия дрейфа осциллирующих электронов к оси источника, канал разряда оказывается при этом строго фиксирован по положению и по плотности.
Предложенное изобретение заключается в создании импульсного источника ионов гелия с холодными катодом и антикатодом, состоящего из соленоидальной катушки, надетой на немагнитную вакуумную камеру, внутри которой помещены катодный магнитный полюс с центральным углублением, катод из нержавеющей стали в виде плоского диска с центральным углублением в виде стакана, примыкающий к катодному магнитному полюсу, кольцевой анодный изолятор, анод в виде пустотелого цилиндра с кольцевой перемычкой в середине, выполненный из нержавеющей стали, антикатод в виде диска, выполненный из нержавеющей стали, по оси которого выполнено углубление с отверстием эмиссии в центре, своей выступающей частью вставленный в отверстие антикатодного магнитного полюса, где на антикатоде выполнен кольцевой выступ, соосный с анодом и расположенный по направлению к аноду, при этом диаметр выступа больше, чем диаметр стакана в катоде, но меньше, чем внутренний диаметр анода.
Техническим результатом изобретения является получение импульсного пучка ионов гелия при частоте импульсов 16-50 Гц, длительности импульсов синусоидальной формы по основанию импульса 100×10-6 с и амплитуде тока ионного пучка 80×10-3 А, который достигается за счет использования кольцевого выступа на антикатоде для ограничения расширения канала разряда в гелии с целью стабилизации плотности разряда по оси отверстия ионной эмиссии.
Примеры
Пример 1. Экспериментальная проверка работы конструкции источника проводилась при частоте импульсов от 16 до 50 Гц, длительности импульсов синусоидальной формы по основанию импульса 100×10-6 с. В результате работы ионного источника, в котором на антикатоде выполнен кольцевой выступ, соосный с анодом и расположенный по направлению к аноду, где диаметр выступа в 1,5 раза больше, чем диаметр стакана в катоде, был получен импульсный ионный ток ионов гелия при амплитуде тока ионного пучка 80×10-3 А со стабильной плотностью разряда.
Импульсный источник ионов гелия с холодными катодом и антикатодом, состоящий из соленоидальной катушки, надетой на немагнитную вакуумную камеру, внутри которой помещены катодный магнитный полюс с центральным углублением, катод из нержавеющей стали в виде плоского диска с центральным углублением в виде стакана, примыкающий к катодному магнитному полюсу, кольцевой анодный изолятор, анод в виде пустотелого цилиндра с кольцевой перемычкой в середине, выполненный из нержавеющей стали, антикатод в виде диска, выполненный из нержавеющей стали, по оси которого выполнено углубление с отверстием эмиссии в центре, своей выступающей частью вставленный в отверстие антикатодного магнитного полюса, отличающийся тем, что на антикатоде выполнен кольцевой выступ, соосный с анодом и расположенный по направлению к аноду, диаметр выступа больше, чем диаметр стакана в катоде, но меньше, чем внутренний диаметр анода.
