Способ удаления неиспользуемого компонента пучка быстрых частиц водорода в устройствах для преобразования зарядового состояния ионных пучков

СОЮЗ СОВЕТСНИХсааиюпешеиРЕСПУБЛИК аЕ 111 51) Н 01 7 21 ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ВУ К АВТОРСКОМУ(54)(57) СПОСОБ УДАЛЕНИЯ НЕ МОГО КОМПОНЕНТА ПУЧКА БЫСТР ВОДОРОДА В УСТРОЙСТВАХ ДЛЯ ВАНИЯ ЗАРЯДОВОГО СОСТОЯНИЯ ПУЧКОВ, включающий орошение поверхности токоприемника н зуемого компонента жидким металлом, о т л и ч а ю щ тем, что, с целью повышения тивности удаления, производ шение жидким щелочным мет чей поверхности токоприемни крытой слоем материала, обр со щелочным металлом раство химическое соединение. ов"Вопсвидетельство СССР05 Н 1/22, 1971 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРЙО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ(71) Институт Физики твердоготеда АН СССР(56) 1, Семашко Н.Н. и др. Проблсоздания инжекторов быстрых атомдля термоядерных установок, Сб.росы атомной науки и техники", Срия Термоядерный синтез, вып. 11979, с. 3,2. АвторскоеВ 667033 у кл, Н(прототип),ИСПОЛЬЗУЕ" ЫХ ЧАСТИЦ ПРЕОБРАЗОИОННЫХрабочейеиспольщелочным ийся эффекят ороаллом рабока, поазующим р или1Изобретение относится к областиядерной физики и может быть реализо,вано в устройствах для преобразованиязарядного состояния пучков ионов,например в инжекторах нейтралов илиотрицательных ионов водорода.Известен способ удаления неиспользуемого компонента пучка быстрыхчастиц водорода в перезарядных источниках отрицательных ионов водородаили инжекторах нейтралов путем откачки вакуумными насосами молекулярноговодорода, десорбирующего в вакуумный объем с поверхности токоприемниканеиспользуемого компонента пучкабыстрых частиц водорода 1,В укаэанных устройствах в областьвысокого вакуума после перезарядноймишени попадает поток ускоренныхчастиц водорода различной зарядности (быстрые атомы, отрицательныеи положительные ионы водорода),из которого в дальнейшем с помощьюмагнитного сепаратора выделяетсядля использования компонент требуемой эарядности, остальные компоненты не используются и являются паразитными. В инжекторах нейтраловнеиспользуемым компонентом являютсяположительные ионы, а в источниках30отрицательных ионов - быстрые нейтралы водорода. Поток молекулярноговодорода с тепловыми скоростями,десорбирующий в вакуумный объемпосле термализации потока быстрыхчастиц водорода на поверхности 35токоприемника неиспользуемого компонента, в ряде случаев может бытьочень большим. Оценки показывают,что при получении пучка ионов Нс током 1 А путем перезарядки прото Онов на натриевой мишени поток молекулярного водорода за счет газовыделения с токоприемника нейтраловсоставляет л 0,8 лтор/с. Для откачки таких потоков при давлениях10 Па требуется скорость откачки вакуумных насосов (например,криогенных панелей) на уровне сотентысяч л/с. Поскольку в термоядерныхустановках требуются пучки ионовН с интенсивностью десятки и сотниампер, то откачка выделяющихся газов с токоприемника нейтралов водорода с помощью обычных вакуумныхнасосов. приводит к значительному 55увеличению габаритов и стоимостиинжектора отрицательных ионов водорода. 2Наиболее близок к изобретению способ удаления неиспользуемого компонента пучка быстрых частиц водорода, заключающийся в химическом связывании быстрых частиц водорода с атомами жидкого щелочного металла, Способ включает орошение рабочей поверхности токоприемника неиспользуемого компонента быстрых частиц водорода и герметизацию на ней этого компонента (21.При орошении рабочей поверхности токоприемника жидким щелочным металлом (например, натрием) на поверхности токоприемника создается текущая пленка натрия. Взаимодействие быстрых частиц водорода с пленкой жидкого натрия приводит к химическому связыванию частиц водорода с атомами натрия в гидрид натрия, который вместе с натрием стекает в систему циркуляции натрия в устройстве. Таким образом достигается удаление неиспользуемого компонента пучка быстрых частиц водорода из вакуумной системы устройства, т.е, уменьшается газовая нагрузка на вакуумную систему. Однако существующий способ не позволяет с высокой эффективностью удалять неиспользуемый компонент пучка быстрых частиц водорода, поскольку не вся рабочая поверхность токоприемника покрывается пленкой жидкого щелочного металла из-за образования на металлической поверхности токоприемника участков, которые не смачиваются щелочным металлом (окисных пленок, масляных пленок, обусловленных выносом паров масла из диффузионных вакуумных насосов и прочих загрязнений). Частичное окисление металлической поверхности токоприемника неизбежно из-за наличия кислорода в остаточной атмосфере вакуумного объема устройства при обычных рабочих давлениях 10 - 10 Па, В результате на рабочей поверхности токоприемника появляются участки, не смоченнь 1 е жидким щелочным металлом, При бомбардировке этих участков пучком быстрых частиц водорода водородные частицы термалиэуются и десорбируют в объеме в виде молекулярного газа, что приводит к понижению эффективности удаления быстрых частиц водорода из вакуумного объема устройства.Целью изобретения является повы- .; шение эффективности удаления .з1Цель достигается тем, что при удалении неиспользуемогокомпонента пучка быстрых частиц водорода в устройствах для преобразования щелочно-зарядового состояния ионных пучков способом, включающим орошение рабочей поверхности токоприемника неиспользуемого компонента жидким щелочным металлом, производят орошение жидким щелочным металлом рабочей поверхности токоприемника, покрытой слоем материала, образующего химические соединения или раствор со щелочными металлами.При орошении непрерывным потоком жидкого щелочного металла рабочей поверхности токоприемника, с которой предварительно удалена пленка загрязнений, а затем нанесен изолирующий слой материала, образующего химические соединения со щелочным металлом, жидкий щелочный металл вступает в химическую реакцию с материалом изолирующего слоя и постепенно растворяет его. Происходит замещение изолирующего слоя материала на рабочей поверхности токоприемника пленкой жидкого щелочного металла, полностью смачивающего рабочую поверхность токоприемника, так как в процессе замещения изолирующего слоя рабочая поверхность токоприемника не контактирует с кислородом и парами масла, имеющимися в остаточной атмосфере вакуумного объема устройства. В результате рабочая поверхность токоприемника оказывается полностью смоченной текущей пленкой жидкого щелочного металла, что повышает эффективность удаления неиспользуемого компонента пучка быстрых частиц водорода путем их химического связывания в гидридщелочного металла.Небольшие примеси материала изолирующего слоя в жидком щелочном металле не влияют на работу устрой,ства, но при необходимости они могут быть выведены из системы циркуляции щелочного металла путем применения отстойников.Способ реализован на макете устройства для преобразования зарядового состояния ионных пучков, содержащем вакуумную камеру, источник положительных ионов водорода, токоприемник пучка быстрых частиц водорода, систему циркуляции натрия, систему орошения токоприемника жид 0679734ким натрием и анализатор парциальных давлений для измеоения парциального давления водорода в вакуумнойсистеме устройства. Токоприемник 5пучка быстрых частиц водорода выполнен в виде пластины из стали.размером - 100 х 100 мм и толщиной3 мм. Токоприемник снабжен системойохлаждения для отвода тепла, выделяющегося при бомбардировке рабочейповерхности пучком быстрых частицводорода и поддержания заданноготемпературного режима. Очиска рабочей поверхности токоприемника производится путе протравливания вортофосфорной кислоте, после чего нарабочую поверхность путем напыленияили залуживания наносится защитныйслой олова толщиной ъ 0,2 мм.Перед началом орошения рабочейповерхности токоприемника устройствоподготавливают к работе: токоприемник устанавливают в вакуумную камеру устройства, производят вакуумнуюоткачку и прогрев токоприемника исистем орошения и циркуляции натрия.Обычно рабочий режим следующий:давление в вакуумной системе10-4температуры токоприемника и систем орошения и циркуляции натрияф 100-110 С.Удаление быстрых частиц водородаиз вакуумной камеры устройства производят следующим образом.33 Включают орошение рабочей поверхности токоприемника жидким натрием (при этом визуально наблюдаютполное смачивание рабочей поверхности токоприемника стекающей плен кой натрия). Включают ионный источник, из которого извлекают пучок по."ложительных ионов водорода (энергия 3 кэв, ток пучка25 мА) инаправляют на рабочую поверхность 45 токоприемника. Площадь сечения ионного пучка в месте расположениятокоприемника приблизительно равнаплощади рабочей поверхности токоприемника, При взаимодействии ионов 50 водорода с жидким натрием на рабочей поверхности токоприемника происходит химическое связывание водородных частиц в гидрид натрия, который вместе с натрием стекает в 53 систему циркуляции. Об эффективностиудаления можно было судить по изменению парциального давления водорода в вакуумной камере устройства1067973 Составитель А.РахимовРедактор О.Юркова Техред Т.Фанта Корректор Г,Решетник Заказ 103/2 Тираж 679 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 3с помощью анализатора АПДН, По известной скорости откачки вакуумного насоса и величине парциального давления водорода показания анализатора пересчитывают в ток пучка ионов водорода, удаляемый из вакуумной системы устройства,Анализ поверхности токоприемника после 2 ч работы устройства показывает что изолирующий слой олова полностью растворяется в жид" ком натрии и пленка жидкого натрия стекает по чистой металлической поверхности токоприемника, полностьюсмачивая ее. Покрытие рабочей поверхности токоприемника слоем олова существенноповышает эффективность удалениябыстрых частиц водорода.Использование способа в устройствах для преобразования зарядовогосостояния ионных пучков позволяетв три раза повысить эффективностьудаления.10 Способ позволяет уменьшить впять раэ мощность вакуумных насосов,применяемых в мощных инжекторахнейтралов или в сильноточных источниках отрицательных ионов водородапереэарядного типа.