Рекуператор энергии ионного пучка
Использование: рекуперация энергии ионных пучков. Сущность изобретения: в тормозном промежутке рекуператора в месте, определяемом математической формулой, установлен источник электронов, что создает условия для появления в данном промежутке плазмы. Предложенное устройство позволяет увеличить плотность тока, пропускаемого рекуператором. 3 ил.
Изобретение относится к рекуперации энергии ионных пучков, а более конкретно к устройству электростатических рекуператоров, и может быть использовано в рекуператорах энергии пучков различного назначения, в частности при рекуперации энергии пучков ионов в электромагнитных сепараторах изотопов. Известно устройство электростатического рекуператора, включающее систему электродов, предотвращающую ускорение компенсирующих ионный пучок электронов и обеспечивающую торможение ионов. Сбор ионов осуществляется на плоский металлический электрод-коллектор. Известен электростатический рекуператор, имеющий внешний электрод-экран супрессорный электрод, отражающий сопровождающие ионный пучок электроны и принимающий ионы электрод-коллектор, выполненный в виде ячеек, образованных пластинами, расположенными под углом к плоскости распространения поступающих в коллектор ионных пучков. Между супрессорным электродом и электродом-коллектором имеется зазор, являющийся тормозным промежутком для ионов. Устройство коллектора благодаря большей удельной площади собирающей поверхности позволяет принимать пучки большей мощности и накапливать большее количество собираемого вещества без механических перемещений. Однако плотность тока, которую можно пропустить через устройство, мала. Это обусловлено тем, что при достаточно больших плотностях тока, в тормозном промежутке рекуператора происходит отражение ионов полем их собственного объемного заряда. Выражение для максимальной плотности тока (jм) известно. При заданной энергии ионов jм определяется длиной замедляющего ионы промежутка или иначе размером области (d), занятой объемным зарядом ионов, причем j
(1) Из (1) видно, что для увеличения пропускной способности рекуператора следует уменьшать d. Однако конструктивные возможности уменьшения d ограничены. Этим и ограничивается плотность пропускаемого устройства тока. Поскольку плотность тока в пучках ионов, энергия которых подлежит рекуперации, задана и может превышать пропускную способность рекуператора, указанный недостаток сильно ограничивает возможности такого устройства. Целью изобретения является увеличение плотности тока, пропускаемой рекуператором, и исключение при этом дополнительных затрат энергии на ускорение электронов в тормозном промежутке рекуператора. Указанная цель достигается тем, что в рекуператоре энергии ионного пучка, имеющем внешний электрод-экран, а также супрессорный электрод и электрод-коллектор, расположенные друг относительно друга с зазором, являющимся тормозным промежутком для ионов, в тормозном промежутке рекуператора установлены источники электронов, выполненные, например, в виде накапливаемого катода, причем источники размещены на расстоянии от супрессорного электрода, которое определяется следующим выражением L> 2,32 10-4 
1+ 
где I измеряется в м; Ео, 2 
Е средняя энергия ионов пучка и разброс энергий ионов, эВ; j плотность тока ионов, А/м2. Размещение источников электронов в тормозном промежутке рекуператора обеспечивает условия для создания в данном промежутке плазмы. Плазма образуется из ионов пучка и электронов, испускаемых установленными источниками. При этом электроны плазмы электрическим полем рекуператора удерживаются вблизи коллектора и, соответственно, плазма занимает прилегающую к коллектору область. Ионы в плазме движутся в направлении коллектора за счет остаточной скорости. Объемный заряд ионов в плазме скомпенсирован. В результате пространство, занятое объемным зарядом ионов, сокращается и в соответствии с (1) увеличивается пропускная способность рекуператора. Торможение ионов в предлагаемом рекуператоре происходит в пространстве между супрессорным электродом и границей плазмы. Помещение источников электронов на расстоянии от супрессорного электрода, определяемым выражением (2), обеспечивает поступление электронов именно в область, занимаемую плазмой, а не в область торможения ионов, что важно, так как таким образом исключаются затраты энергии на ускорение электронов в замедляющем ионы промежутке. В соответствии с изобретением на расположение источников электронов по отношению к супрессорному электроду накладывается лишь одно условие: источники должны размещаться от супрессорного электрода не ближе расстояния, определяемого выражением (2), Т.е. при заданных параметрах пучка ионов допускается интервал расстояний от супрессорного электрода, в котором могут находиться источники. При этом из (2) вытекает еще свойство изобретения, которое необходимо отметить, А именно, поскольку между правой и левой частями выражения (2) стоит знак неравенства, то при выбранном значении I работа предлагаемого рекуператора возможна в некотором диапазоне j, Ео,Е таком, чтобы неравенство (2) выполнялось. Например, если заданы Ео,Е и выбрано I, то (2) определяет нижнюю границу значений j, при которых (2) выполняется и, следовательно, выполняются условия, изложенные в отличительной части изобретения. Верхняя граница значений j при этом зависит от конструкции супрессорного электрода и находится известными методами расчета движения ионов электрических полях или экспериментально. В связи с вопросом о размещении источников электронов необходимо также обратить внимание на следующее свойство выражения (2). Изобретение предназначено для энергии пучков с плотностью тока, большей плотности тока пропускаемой рекуператором прототипом. При таких плотностях тока свойства выражения (2) таковы, что величина правой части в (2) не может оказаться больше расстояния между супрессорным электродом и коллектором, т.е. из расчета по формуле (2) не может следовать заключение на установку источников электронов за пределами тормозного промежутка. Вопрос о расположении и количестве источников электронов вдоль супрессорного электрода изобретением не регламентируется и решается известными в физике плазмы методами, исходя из известных законов распространения электронов в плазме. Известными в физике плазмы методами решается также вопрос о требуемом количестве электpонов, испускаемых источниками электронов в единицу времени. На фиг.1-3 показан предложенный рекуператор. Рекуператор имеет электрод-экран 1 под нулевым потенциалом, супрессорный электрод 2 под отрицательным потенциалом, коллектор 3 под положительным потенциалом. В промежутке между супрессорным электродом и коллектором установлены источники электpонов 4. Цапфой 5 на фигурах обозначена граница плазмы, цифрой 6 поток ионов поступающих в рекуператор. Устройство работает следующим образом. Поток ионов поступает в рекуператор с левой стороны. Электрод 2 отражает сопровождающие ионы электроны. Электроны, испускаемые источниками 4, нейтрализуют заряд ионов в пространстве между границей плазмы 5 и коллектором 3. В результате размер области, занятой объемным зарядом ионов, уменьшается и растет пропускная способность рекуператора. При увеличении плотности ионного тока граница плазмы 5 перемещается ближе к электроду 2 и таким образом рекуператор подстраивается под плотность ионного тока. Торможение ионов в предлагаемом рекуператоре происходит между электродом 2 и границей плазмы 5. Размещение источников электронов в месте определяемом выражение (2) обеспечивает их размещение вне зоны торможения ионов и таким образом исключает затраты энергии на ускорение электронов. Фиг.1, 2, 3 иллюстрируют возможные расположения источников электронов в зависимости от расположения границы плазмы. Фиг. 1 соответствует случаю, когда граница плазмы располагается в ячейках коллектора. В данном случае плазменные образования внутри ячеек коллектора не связаны между собой и источники электронов должны быть размещены в плазме в каждой из ячеек коллектора. Рекуператор с таким размещением источников может быть использован в ситуации, когда граница плазмы оказывается вне ячеек коллектора ближе к супрессорному электроду, как показано на фиг.2. Причем при расположении границы плазмы как на фиг.2 можно обойтись меньшим количеством источников электронов, что изображено на фиг.3. В качестве примера конкретного выполнения предлагаемого устройства рассмотрен рекуператор, у которого расстояние супрессорного электрода до ближайших к этому электроду точек коллектора равно 1,95
10-3 м. При рекуперации энергии пучка ионов лития 7 с плотностью тока 500 А/м2, средней энергией ионов 1800 эВ разбросом энергии ионов 2Е 32 эВ правая часть выражения (2) равна 210-3 м. Граница плазмы в данном случае оказывается внутри ячеек коллектора. Соответственно внутри ячеек коллектора за границей плазмы должны быть размещены источники электронов. Описанный пример соответствует случаю, изображенному на фиг.1. Если плотность тока ионов в рассмотренном примере увеличить до 2103 А/м2, то расстояние от супрессорного электрода до границы плазмы становится равным 10-3 м. Т.е. граница плазмы в данном случае оказывается приблизительно в середине тормозного промежутка рекуператора. Источники ионов в такой ситуации могут быть расположены перед коллектором или в ячейках коллектора, как показано на фиг.2 и 3. Размещение источников электронов в тормозном промежутке рекуператора приводит к увеличению пропускаемой рекуператором плотности тока в 1,5-2 раза по сравнению с прототипом. При этом расположение источников электронов в месте определяемом изобретением, обеспечивает исключение потерь энергии на ускорение электронов в электрическом поле, тормозящем ионы. В качестве примера исследован режим, при котором граница плазмы находится в ячейках коллектора около ближайших к супрессорному электроду точек коллектора (фиг.1). При этом сравниваются два случая размещения источников. Один равномерное распределение источников между супрессорным электродом и границей плазмы и второй размещение источников в соответствии с предлагаемым изобретением. В первом случае имеют место потери энергии на ускорение электронов в электрическом поле тормозящем ионы. Эти потери составляют 0,43 Ео на каждый ион пучка при равенстве ионного и электронного токов при 100% рекуперации энергии ионного пучка. При размещении источников ионов в соответствии с предлагаемым изобретением такие потери отсутствуют.
Формула изобретения
1. РЕКУПЕРАТОР ЭНЕРГИИ ИОННОГО ПУЧКА, содержащий электрод экран и расположенные относительно друг друга с зазором, являющимся тормозным промежутком для ионов, супрессорный электрод и электрод-коллектор, отличающийся тем, что, с целью увеличения плотности тока, пропускаемой рекуператором и уменьшения при этом дополнительных затрат энергии на ускорение электронов, в тормозном промежутке рекуператора установлены источики электронов, размещенные от супрессорного электрода, на расстоянии l(м), которое определяется следующим выражением
Eo, 2E средняя энергия пучка и разброс энергий ионов, эВ; M атомная масса ионов;j плотность тока ионов, А/м2. 2. Рекуператор по п.1, отличающийся тем, что источники электронов выполнены в виде накапливаемого катода.
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3
