Источник отрицательных ионов
ИСТОЧНИК ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ИОНОВ , содержащий газоразрядную камер с, эмиссионной щелью в стенке и газо разрядной ячейкой с устройством подачи рабочего вещества и цезия, отличающийся тем,что, с целью увеличения ресурса работы, повышения устойчивости режимов с эффективной генерацией ярких пучков отрицательных ионов и упрощения конструкции источников, газоразрядная ячейка образована стенкой газоразрядной камеры с эмиссионной щелью, которая служит анодом, и катодом, который выполнен из тугоплавкого металла и имеет на торце, расположенном против эмиссионной щели, углубление в виде канавки с полуцилиндрической поверхностью, ось которой совмещена с эмиссионной щелью.
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (19) (11) (5ц 4 H 01 J 27/04
; !
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
H АВТОРСКОМ .Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР
ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPblTHA (21) 2894327/18-25 (22) 14.03.80 (46) 07.01.86,Бюл.й -1 (71) Институт ядерной физики СО АН
СССР (72) Ю.И.Бельченко, Г.Е.Деревянкин и В.Г.Дудников (53) 621.385(088.8) (56) Proc ° Simp. Production and
Neofraliration of Negative Hydrogen
Fons and Beams, BNL 50727, Ф 4, 1977.
Бельченко Ю.И. и др. Журнал технической физики, 45, 68, 1975. (54)(57) ИСТОЧНИК ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ИОНОВ, содержащий газоразрядную камеру с эмиссионной щелью в стенке и газоразрядной ячейкой с устройством подачи рабочего вещества и цезия, отличающийся тем,что, с целью увеличения ресурса работы, повышения устойчивости режимов с эффективной генерацией ярких пучков отрицательных ионов и упрощения конструкции источников, газоразрядная ячейка образована стенкой газоразрядной камеры с эмиссионной щелью, которая служит анодом, и катодом, который выполнен иэ тугоплавкого металла и имеет на торце, расположенном против эмиссионной щели, углубление в виде канавки с полуцилиндрической поверхностью, ось которой совмещена с эмиссионной щелью.
1 85
Изобретение относится к технике получения пучков ускоренных частиц и предназначено для получения пучков отрицательных ионов, главным . образом пучков отрицательных ионов изотопов водорода с высокой яркостью пучка для ускорителей.
Известны источники для получения пучков отрицательных ионов, в которых используется добавление цезия в газоразрядные камеры источников.
Проведенными исследованиями установлено, что обнаружейное увеличение скорости образования отрицательных ионов при добавлении цезия .в, газоразрядную камеру обусловлено интенсификацией поверхностно-плазменного механизма генерации отрицательных ионов — образования отрицательных ионов при бомбардировке интенсивными потоками частиц газоразрядной плазмы поверхности электродов газоразрядной ячейки за счет захвата электронов из электродов на уровни электронного средства распыленных и отразившихся частиц рабочего вещества. Интенсификация поверхностно-плазменного механизма генерации отрицательных ионов обусловлена увеличением в сотни раз вероятности ухода распыленных и отразившихся частиц с поверхности в видде отрицательных ионов при уменьше4 нии работы выхода электродов-за счет адсорбции подаваемого цезия.Наиболее близким к изобретению по технической сущности является источник отрицательных ионов, содержащий газоразрядную камеру с эмиссионной щелью в стенке и газоразрядиой ячейкой с устройством подачи рабочего вещества и цезия.
1..
Эффективная генерация пучков ионов Н с высокой яркостью обеспечивается только в сравнительно узком диапазоне режимов работы этих источников, что требует тщательной оптимизации параметров и затрудняет
I управление.
Целью изобретения является увели.чение ресурса работы, повышение устой чивости режимов с эффективной генерацией ярких, пучков отрицательных ионов и.упрощение консУрукции источника.
Для этого в источнике отрицательных ионов, содержащем газоразрядную камеру с эмиссионной щелью в стенке
4197
55 и газоразрядной ячейкой с устройством подачи рабочего вещества и цезия, гаэоразрядная ячейка образована стенкой газоразрядной камеры с эмиссионной щелью, которая служит анодом, и катодом, который выполнен из тугоплавкого металла и имеет на торце, расположенном против эмиссионной щели, углубление в виде канавки с полуцилиндрической поверхностью, ось которой совмещена с эмиссионной щелью. Для источников с одной эмиссионной щелью оптимальная глубина канавки 2 мм, ширина 4 мм. По направлению дрейфа электронов в скрещенных полях канавка прерывается, не доходя до края катода, а с противоположной стороны на входе канавки с торца катода делается углубление до облегчения зажигания разряда. В это углубление подается газообразное рабочее вещество и пары цезия. При такой конфигурации электродов газоразрядной ячейки обеспечивается зажигание и устойчивое горение сильноточных тлеющих разрядов без флуктуаций параметров плазмы, обеспечивающих эффективную генерацию пучков отрицательных ионов с высокой яркостью, в более широком диапазоне изменения магнитного поля, подачи рабочего вещества и цезия, чем в других источниках отрицательных ионов, а конструкция в целом обеспечивает более надежную работу источника.
На фиг. 1 изображен источник отрицательных ионов; на фиг. 2 разрез А-А фиг.1.
Источник состоит из корпуса газоразрядной камеры 1 с выемкой для катода и эмиссионной щелью 2 в тонкой стенке газоразрядной камеры, массивного катода 3, укрепленного в выемке корпуса 1 через изолятор 4..
Полный катод образован канавкой с полуцилиндрической поверхностью 5 на торце катода, примыкающем к эмиссионной щели. В катоде и аноде проделаны каналы 6 для подачи рабочего вещества и подачи цезия из контейнера 7. В катод и в корпус газоразрядной камеры впаяны трубки 8 и 9 для охлаждающего агента. Газоразрядная камера электрически изолирована от основания. 10 с извлекающим электродом 11, полюсами магнита 12 окном 13 для пучка отрицательных
854197. ионов 14. Источник работает следующим образом. В газоразрядную ячейку по каналу 6 в катоде или аналогичному каналу в аноде подается газообразное рабочее вещество, а из кон.тейнера 7 — пары цезия. Между катодом 3 и корпусом газоразрядной камеры 1 прикладывается напряжение, поджигающее и поддерживающее разряд..
При достаточно малых зазорах (0, 5-1мм) между катодом и анодом разряд локализуется в полуцилиндрической канавке 5 примыкающей к эмиссионной щели 2.При глубине канавки 2 мм сильноточный тлеющий разряд, генерирующий отрицательные ионы, зажигается и без магнитного поля, но без магнитного поля вместе с отрицательными ионами извлекается интенсивный поток сопутствующих электронов, который формируется в пучок. В этом режиме из источника можно получать интенсивные пучки ускоренных электронов.
Для запирания сопутствующих электронов полюсами магнита 12 создается магнитное поле, замагничивающее электроны. За счет уменьшения подвижности электронов поперек магнитного поля уменьшается скорость их продвижения через эмиссионную щель и они успевают уйти на стенки эмиссионной щели вдоль магнитного поля, тогда как отрицательные ионы с много большими ларморовскими радиусами .проходят через эмиссионную щель свободно.
В присутствии магнитного поля электроны разряда дрейфуют вдоль канавки. Для предотвращения проник- новения электронов на изолятор 4 канавка прерывается до ее выхода на край катода, к которому дрейфуют электроны, а изолятор экранирован от остающегося потока плазмы лабиринтом. Для облегчения зажигания разряда противоположная часть канавки углублена и именно в эту область подается рабочее вещество и цезий.
Цезий ионизируется в разряде и переносится на рабочую поверхность катода в виде ионов. 3а счет адсорбции цезия уменьшается работа выхода и увеличивается коэффициент вторичной конно-электронной эмиссии катода.
При этом напряжение разряда в водороде уменьшается с 600 до 100 В.
Одновременно увеличивается коэффициент вторичной эмиссии отрицательных ионов с катода, бомбардируемого быстрыми ионами. Образовавшиеся отрицательные ионы ускоряются прикатодным падением напряжения между катодом и плазмой. Ускоренные отрицательные ионы фокусируются полуцилиндрической поверхностью канавки на эмиссионную щель 2. Однако при движении через плазму при больших
1б токах разряда часть отрицательных ионов успевает разрушиться и они преобразуются в поток ускоренных атомов, которые бомбардируют стенки, эмиссионные щели и прилегающие стенки анода. За счет адсорбции цезия работа выхода этих поверхностей также уменьшается, а коэффициент вторичной эмиссии отрицательных ионов увеличивается, так что и с этих nogp верхностей эмиттируется интенсивный поток отрицательных ионов, формируемый в .пучок
Поток отрицательных ионов, проходящий через эмиссионную щель, ускоряется высоким напряжением, приложенным между корпусом газоразрядной камеры
1 и пластинами вытягивающего электрода 11, и формируется в пучок 14.
Через эмиссионную щель выходит и поток ускоренных атомов рабочего вещества, образовавшихся за счет разрушения в плазме разряда ускоренных отрицательных ионов. Предлагае,мый источник обеспечивает генерацию
35 направленного потока ускоренных атомов с энергией, определяемой напряжением разряда, и эмиссионной плотностью потока до нескольких эквива лентных ампер на 1 см . При доста40 точном потоке цезия тлеющий разряд в водороде горит без регистрируемых флуктуаций напряжения и тока разряда при изменении напряженности магнитного поля в области газоразрядной з
4> ячеики от 0 до 10 Э. Для предотвращения выхода потока сопутствующих электронов через эмиссионную щель с толщиной стенок 1 мм и шириной 0,5 мм достаточно магнитного поля с напряжением 200 — 300 Э.
Исследованные образцы поверхностно-плазменных источников предлагаемой конструкции обеспечивали получе» ние импульсных пучков Н с интенсивSS ностью до 175 мА при размерах эмиссионной щели 0,3 х 10 мм . При выключении магнитного поля получались пучки электронов,с интенсивностью
Редактор О.Юркова Техред М.Пароцай
& Ч
Заказ 8535/5 Тираж 678
ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5
КоРРектоР И. Муска
Подписное
Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная 4
3 8541 до 0,3 А. Этот источник можно испольэовать и для получения пучков положительных ионов.
По эффективности генерации отрицательных ионов и яркости получаемых пучков предлагаемый источник аналогичен разработанному ранее поверхностно-плазменному источнику с пеннинговской газоразрядной ячейкой, но благодаря существенному упрощению 10 конфигурации электродов газоразрядной ячейки трудоемкость его изготовления меньше, а ресурс работы должен быть существенно большим. В предлагаемой конструкции легко обеспе- 15, чивается интенсивное охлаждение рабочих поверхностей электродов, допускаются более форсированные режимы работы. Генерация пучков ионов Н без регистрируемых флуктуаций пара- 20 метров обеспечивается в существенно
97 Ь более широком диапазоне изменения магнитного поля, подачи водорода и цезия. Благодаря симметричной конструкции газоразрядной ячейки можно обеспечивать более. интенсивную активацию поверхности эмиссионной щели . и регенерацию газораэрядной ячейки разрядами обратной полярности. Магнитное поле источника заворачивает
I извлеченный пучок отрицательных ионов на малый угол (10 рад) так, что становится возможным дальнейшее формирование пучка с помощью клиновидного поворотного магнита с поворотом пучка на малый . угол в плоскости большей расходимости. Такая система существенно проще применявшейся ранее системы формирования с поворотом пуч,ка на 90 в плоскости эмиссионной щели. Это позволяет уменьшить полный вес источника почти в 10 раз.
