Способ получения отрицательных ионов в поверхностно- плазменных источниках

 

Изобретение относится к поверхностно-плазменным источникам отрицательных ионов, а именно к способам получения отрицательных ионов в поверхностно-плазменных источниках, и может быть использовано в ускорителях заряженных частиц или устройствах для осуществления термоядерного синтеза. Способ получения отрицательных ионов в поверхностно-плазменных источниках заключается в том, что в качестве поверхности электрода-конвертора для генерации отрицательных ионов в источнике используют поверхность, получаемую с помощью магнитного керамического порошка, нанесенного на поверхность электрода, выполненного из материала, обладающего магнитными свойствами. Магнитный керамический порошок удерживается на поверхности электрода за счет собственного магнитного поля, при этом наличие собственного замкнутого магнитного поля вблизи поверхности, а также между отдельными частицами порошка позволяет снизить вероятность выхода свободных электронов в плазму и соответственно увеличить выход отрицательных ионов. Сепарация отрицательных ионов и электронов происходит не только в разрядной камере источника, но и на поверхности, полученной с помощью магнитного керамического порошка. Условия генерации отрицательных ионов на поверхности магнитного керамического порошка не изменяют в процессе работы источника. Магнитный керамический порошок получают из барийферритового магнита. 2 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к поверхностно-плазменным источникам отрицательных ионов, а именно к способам получения отрицательных ионов в поверхностно-плазменных источниках, и может быть использовано в ускорителях заряженных частиц, а также в устройствах, использующих пучки отрицательных ионов.

Известен способ получения отрицательных ионов в поверхностно-плазменном источнике, включающий генерацию плазмы, обеспечение условий взаимодействия плазмы с рабочей поверхностью электрода-конвертора и получение потока отрицательных ионов [1].

Эмиссия отрицательных ионов существенно увеличивается при уменьшении работы выхода электродов за счет адсорбции цезия, подаваемого в разрядную камеру поверхностно-плазменного источника, для генерации бомбардирующих частиц используются тлеющие разряды в магнитном поле с холодными электродами, выполняющими роль эмиттеров электронов, поддерживающих разряд, и отрицательных ионов с поверхности, извлекаемых из источников.

В качестве недостатков известного способа можно указать следующее.

Напыление цезия происходит не только на поверхность электродов в источнике, но и на высоковольтные электроды ионной оптики, формирующей и ускоряющей пучок отрицательных ионов, что приводит к электрическому пробою и выводит из строя не только высоковольтное оборудование, но и другие системы электрофизических установок. Расход цезия в процессе работы приводит к необходимости регулярно разгерметизировать вакуумную систему с целью обновления цезия. Напыление цезия на поверхность электрода - процесс трудно контролируемый, что вызывает проблемы при подборе режима работы источника, а также вызывает определенные трудности в управлении режимом работы и отрицательно сказывается на стабильности характеристик пучка. Рабочая поверхность электродов, на которой происходит генерация отрицательных ионов, ограничена размерами разрядной камеры, что не позволяет повышать производительность источника за счет увеличения рабочей поверхности.

Предлагаемый способ получения отрицательных ионов в поверхностно-плазменных источниках, в котором используются магнитные свойства материалов, направлен на устранение указанных недостатков.

Технический результат заключается в увеличении выхода отрицательных ионов и повышении стабильности работы источника.

Технический результат достигается тем, что в способе получения отрицательных ионов в поверхностно-плазменном источнике, включающем генерацию плазмы, обеспечение условий взаимодействия плазмы с рабочей поверхностью электрода-конвертора и получение потока отрицательных ионов, в качестве рабочей поверхности электрода-конвертора используют поверхность, которую получают с помощью магнитного керамического порошка, нанесенного на поверхность, при этом параметры магнитного керамического порошка и материала электрода выбирают достаточными для удержания порошка на поверхности электрода за счет магнитного поля для увеличения выхода отрицательных ионов.

Магнитный керамический порошок (гексагональные ферриты) - диэлектрический материал, обладающий собственным магнитным полем, и имеющий сильно развитую поверхность. Как диэлектрик, он обладает очень низкой (приблизительно 1 эВ) работой выхода электронов с поверхности, что соответствует энергии электронного сродства для большинства материалов.

Наличие у магнитного порошка на основе гексагональных ферритов с намагниченностью насыщения от M_σ = 200 кМ/m до M_σ = 380 кА/m, собственного магнитного поля, величина которого прямо пропорциональна M_σ , обеспечивает возможность удержания порошка, например, на магнитном электроде.

Параметры порошка выбирают такими, чтобы обеспечить прочное сцепление порошка с поверхностью электрода, исключающими отрыв частиц и их попадание на другие элементы источника. Размеры порошка и его количество выбирают таким образом, чтобы обеспечить увеличение потока отрицательных ионов, генерируемых рабочей поверхностью. Данный порошок (толщина слоя порошка может меняться, например, в диапазоне 0,05-1 мм, линейный размер отдельных частиц может составлять, например, величину 0,05 мм) удерживают на поверхности электрода, выполненного из магнитного материала, за счет взаимодействия собственного магнитного поля порошка и магнитного поля электрода.

Поверхность взаимодействия с плазмой представляет собой "рыхлую" поверхность порошка, площадь ее многократно превышает площадь поверхности электрода, на который нанесен порошок, что позволяет увеличить эффективную поверхность взаимодействия, не увеличивая размеры электродов и разрядной камеры источника. Наличие собственного замкнутого магнитного поля вблизи поверхности, а также между отдельными частицами порошка позволяет снизить вероятность выхода свободных электродов в плазму и соответственно увеличить выход отрицательных ионов. Таким образом, сепарация отрицательных ионов и электронов в предлагаемом способе получения отрицательных ионов происходит не только в разрядной камере источника, но и на определенным образом сформированной рабочей поверхности, что является существенным отличием от обычного способа, использующего напыление цезия на поверхность электрода.

Эксперимент показал высокую эффективность предлагаемого способа получения как газообразных, так и металлических отрицательных ионов.

Формула изобретения

1. Способ получения отрицательных ионов в поверхностно-плазменном источнике, включающий генерацию плазмы, обеспечение условий взаимодействия плазмы с рабочей поверхностью электрода-конвертора и получение потока отрицательных ионов, отличающийся тем, что в качестве рабочей поверхности электрода-конвертора используют поверхность, формируемую с помощью магнитного керамического порошка, нанесенного на поверхность электрода, выполненного из материала, обладающего магнитными свойствами, при этом параметры магнитного керамического порошка выбирают достаточными для удержания порошка на поверхности электрода за счет магнитного поля для увеличения выхода отрицательных ионов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что условия генерации отрицательных ионов на поверхности магнитного керамического порошка не изменяют в процессе работы источника.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала для магнитного керамического порошка используют барий ферритовый магнит.