Импульсный ускоритель ионов металлов

 

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано в качестве генератора ускоренных ионов в устройствах технологического назначения, в различных отраслях техники, а также при проведении научных исследований. Целью изобретения является повыщение КПД. Ускоритель содержит ускоряющую систему с катодом 1 и анодом 2. Проводящий стержень 3 размещен в полости анода 2 и заключен в керамическую трубку 4. Магнитаная система 5 свободными концами токопроводящих элементов 6 подключена к концам стержня 3 и анода 2. Генератор плазмы с катодом 7 и поджигающим электродом 8 размещен в полости анода 2. Токоподводящие элементы 6 выполнены в виде витков большого и малого диаметров, равных соответственно диаметру анода 2 и трубки 4. Витки включены в последовательности: виток большого диаметра в одной из плоскостей - виток большого диаметра в другой плоскости - виток малого диаметра в этой же плоскости - виток малого диаметра в плоскости первого большого витка. Витки, принадлежащие одной плоскости, имеют одинаковое направление навивки. Витки, принадлежащие разным плоскостям, навиты встречно. Благодаря конструктивным особенностям ускорителя достигается увеличение тока пучка. 2 ил.

Изобретение относится к ускорительной технике и может использоваться в качестве генератора ускоренных ионов в устройствах технологического назначения в различных отраслях техники, а также при проведении научных исследований. Целью изобретения является повышение КПД. На фиг. 1 изображена конструктивная схема импульсного ускорителя ионов металла; на фиг. 2 показано расположение и включение токопроводящих элементов магнитной системы. Ускоритель содержит ускоряющую систему с последовательно и соосно расположенными катодом 1 и анодом 2. Проводящий стержень 3 размещен в полости анода 2 соосно с ним и заключен в керамическую трубку 4. Магнитная система 5 свободными концами токопроводящих элементов 6 подключена к концам стержня 3 и анода 2, обращенным к катоду 1. Генератор плазмы с катодом 7 и поджигающим электродом 8 размещен в полости анода 2. Источники питания U_уск, U_гл, U_н, U_h подключены к ускоряющей системе и к генератору плазмы. Токопроводящие элементы 6 выполнены в виде размещенных в двух плоскостях витков большого и малого диаметров, равных соответственно диаметру анода 2 и керамической трубки 4. Витки включены в последовательности: виток большого диаметра в одной плоскости - виток большого диаметра в другой плоскости - виток малого диаметра в этой же плоскости - виток малого диаметра в плоскости первого большого витка. Витки, принадлежащие одной плоскости, имеют одинаковое направление навивки. Витки, принадлежащие разным плоскостям, навиты встречно. На фиг. 1 обозначен дополнительный постоянный магнит 9 с полюсами NS. Устройство работает следующим образом. Включают источники питания генератора плазмы и ускоряющей системы. При этом осуществляется поджиг разряда, ионы из плазмы которого под действием поля катода 7 ускоряются и бомбардируют катод 7. Поверхность катода 7 распыляется, и частицы распыленного вещества ионизуются. Это способствует возникновению дугового разряда между катодом 7 и анодом 2. Катодное пятно, сформировавшееся на катоде 7 под действием магнитного поля постоянного магнита 9, перемещается к торцу катода 7. Плазма этого разряда заполняет полость анода 2 и ускоряется в азимутальном магнитном поле, создаваемом проходящим по стержню 3 током разряда в сторону катода 1. В поле магнитной системы 5 электроны плазмы задерживаются, а ионы проходят в ускоряющий промежуток и ускоряются полем катода 1. В полости катода ионы производят ионизацию атомов остаточного газа и выбирают электроны с поверхности катода 1. Электроны, образовавшиеся в результате ионизации и выбитые с катода, ускоряются к аноду 2, но удерживаются полем магнитной системы 5, предотвращая их прохождение на анод и снижая нагрузку источника ускоряющего напряжения. Используемая в ускорителе магнитная система имеет по сравнению со спиралью Архимеда прототипа более высокую прозрачность, что обеспечивает уменьшение потерь ионов и ведет к повышению КПД устройства. Кроме того, в рассматриваемой конструкции создается трехслойное радиальное магнитное поле, поскольку основной радиальный магнитный проток, возбужденный между витками, замыкается над и под витками, но в противоположном направлении. Благодаря этому по сравнению с прототипом достигается более полная задержка электронов, нагружающих источник питания (снижающих КПД ускорителя), что ведет к увеличению эффективности и КПД ускорителя. Магнитное поле, создаваемое витками, по сравнению с полем многозаходной спирали является радиальным и практически не имеет азимутальной составляющей, что обеспечивает дрейф электронов в основном в азимутальном направлении, вследствие чего уменьшается дрейф электронов в радиальном направлении. Азимутальный дрейф электронов является замкнутым. Следовательно, электроны, двигаясь в ускоряющем промежутке по замкнутым траекториям, не попадая на анод, уменьшают электронную загрузку источника питания. При радиальном же дрейфе электроны со скоростью ≈E₂/B₂≈10⁹ см/с дрейфуют в зависимости от направления тока, либо к оси системы, либо к наружному краю системы. В этих местах происходит накопление электронного заряда и даже при величинах магнитных полей, значительно превышающих критическое, за счет неустойчивости электронного потока происходит срыв электронов на анод. Это приводит к существенному уменьшению эффективности работы ускорителя прототипа. Наличие в предлагаемом устройстве зон с замкнутым азимутальным дрейфом электронов, предшествующих ускоряющему промежутку, позволяет существенно увеличить степень ионизации эмиттирующей анодной плазмы при ее дрейфе от генератора плазмы до ускоряющего промежутка, что повышает КПД ускорителя. Благодаря отличию рассматриваемого устройства от прототипа достигается повышение тока пучка, которое в реальных конструкциях ускорителей (диаметр анода - 15 мм) составляет 10-15%. Габович М. Д. Физика и техника плазменных источников ионов. М.: Атомиздат, 1972, с. 183. Авторское свидетельство СССР N 1590017, кл. H 05 H 5/00, 1987.

Формула изобретения

Импульсный ускоритель ионов металлов, содержащий ускоряющую систему с последовательно и соосно расположенными катодом и анодом цилиндрической формы, проводящий стержень заключенный в керамическую трубку и размещенный в полости анода соосно с ним, магнитную систему, свободные концы токопроводящих элементов которой подключены к концам проводящего стержня и анода, обращенным к катоду ускоряющей системы, генератор плазмы с катодом и поджигающим электродом, размещенный в полости анода, источники питания, подключенные к ускоряющей системе и к генератору плазмы, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД, токопроводящие элементы магнитной системы выполнены в виде размещенных в двух перпендикулярных оси системы плоскостях витков большого и малого диаметров, равных соответственно диаметру анода и керамической трубки, при этом витки включены в последовательности: виток большого диаметра в одной из плоскостей - виток большого диаметра в другой плоскости - виток малого диаметра в этой же плоскости - виток малого диаметра в плоскости первого большого витка, причем витки, принадлежащие одной плоскости имеют одинаковое направление навивки и встречное по отношению к виткам другой плоскости.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2