Источник ионов

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСОУБЛИН 4 Н 01 04 МИТЕТй ИОТН ГОСУДа СТВЕННЫЙПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕ СРЫТИИ ЕЛЬСТВ Н АВТОРСКОМУ С(71) Московский авиационный институт ,им.Серго Орджоникидзе(56) Патент США У 3304718,кл.60-202, опублик. 1967.Бгег 11 п 8 И.Ь. ТЬе 15-сш хоп Яопгсе Йцорх 8 оггоп. Кеч 1 ею ог вс 1 епсе 1 пвегпшепгв, ч.48, Ф 5, 1977, с.533.Моог ТЛ. Ма 8 пеСо-е 1 есгговгаг,1 са 1- 1 у сопйа 1 пед р 1 авша хоп гЬгпвсег . А 1 АА рарег У 69-260, 1960. (54)(57) 1. ИСТОЧНИК ИОНОВ, содержащий газоразрядную камеру, ограничен,ную боковой, торцовой стенками и антикатодом с отверстиями, внутри ко 80818366 торой установлены термокатод, анод и кольцевые намагниченные в радиальном направлении магниты, расположенные вдоль боковой стенки камеры с после" довательным чередованием попюсов, основной источник питания вразряда, отрицательный полюс которого соединен с катодом, а положительный - с ано-. дом, а также дополнительный источник питания, отрицательный полюс которого соединен с анодом, о т л и ч аю щ и й с я тем, что, с целью упрощения конструкции, магниты изолированы от боковой стенки и электрически соединены с положительным полюсом дополнительного источника питания.2. Источник по п.1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, анод выполнен в виде кольца, охватывающего катод, и установлен параллельно задней торцовой стенке камеры.8183 бб Извлечение, формирование и ускорение ионного пучка производитсяс помощью многоаппертурной ионно-оптической системы,Известному источнику присущи недостатки, связанные с высокими энергетическими затратами на ионизациюи неоднородным распределением плотности ионного тока на выходе из источника.Совершенствование источника ионов 30данного типа шло цо нескольким направлениям, наиболее плодотворное из которых связано с организацией удержания.газоразрядной плазмы в объеме камеры.Известен, например, газоразрядный 35источник ионов, магнитное поле в котором создается с помощью продольныхнамагниченных в поперечном направлении магнитов, расположенных равномерно по окружности с наружной стороны 40газоразрядной камеры с последовательным чередованием полюсов.При такой магнитной системе вблизибоковой стенки источника образуетсяобласть быстро спадающего к оси магнитного поля. Электроны в этой области замагничены и их дрейф на стенкузатруднен.Недостатком данного источника является невозможность эффективного удержания ионного компонента плазмы, чтоприводит к дополнительным затратамэнергии на повторную ионизацию прорекомбинировавших на стенке ионов., Частично этот. недостаток устраненв источнике ионов с магнитно-электростатическим удержанием плазмы, который является ближайшим техническимрешением,1В процессеработы источника газо- разрядная плазма в основном объеме источника поддерживается под потенциалом, .близкий к потенциалу основного анода. Потенциал же дополнительных анодов с помощью дополнительного источника питания и в силу известных физических закономерностей, присущих несамостоятельному разряду в пристеночной области камеры, поддерживается на 4-6 в выше потенциала плазмы основного разряда. За счет указанного скачка потенциала обеспечивают эффективное удержание ионов при одновременной замагниченности электронов.Недостатком известного источника является необходимость затраты мощности на поддержание пристеночного разряда,.что ограничивает возможности дальнейшего повышения его энергоэкономйчности, Необходимость введения дополнительных анодов усложняет конструкцию источника,Целью изобретения является упрощение конструкции. Изобретение относится к области ускорителей и инжекторов ионов, а также электроракетных (ионных) двигателей с газоразрядными источниками ио 5 нов и может быть использовано в ионно-лучевой технологии, космической технике, при разработке установок термоядерногр синтеза.Известен газоразрядный источник 10 ионов носящий название ионного двигателя Кауфмана".В этом источнике ионизация рабоче.го вещества осуществляется в разряде Пеннинга с однородным аксиальным маг нитным полем, создаваемым соленоидом с протяженным анодом и горячим катодом. Известный источник содержит газо- разрядную камеру, ограниченную боковой, задней торцевой стенками и анти- катодом с отверстиями для извлечения ионов, внутри которой установлены термокатод, анод и кольцевые, намагниченные в радиальном направлении маг" ниты, расположенные вдоль боковой стенки камеры с последовательным чередованием полюсов, основной источ" ник питания разряда, отрицательный полюс которого соединен с катодом, а положительный - с анодом, а также дополнительный источник питания, отрицательный полюс которого соединен с анодом.В известном источнике постоянные магниты введены внутрь газоразрядной камеры и электрически соединены . с боковой стенкой камеры, находящейся под потенциалом катода. Кроме того в. разряд, кроме основного анода, введены еще дополнительные (пристеночные) аноды, установленные в промежутках между полюсами магнитов. Положительный полюс дополнительного источника соединен с указанными пристеночными анодами. Таким образом, кро" ме основного разряда в пристеночной области газоразрядной камеры осуществляется несамостоятельный разряд в скрещенных Е х В полях.45 Цель эта достигается тем, что магниты изолированы от боковой стенки иэлектрически соединены с положительным полюсом дополнительного источника питания.Кроме того, анод выполнен в видекольца, охватывающего катод и установлен параллельно задней торцовойстенке камеры, преимущественно взакатодной .области камеры,На чертеже схематично изображенисточник ионов и схема его питания.Источник содержит газоразряднуюкамеру, в которой установлены термокатод 1, например типа полого катода,анод 2, постоянные магниты 3, В ис- .точниках большого размера может бытьустановлено несколько катодов. Типкатода выбирают в зависимости от рода рабочего вещества. Газоразряднаякамера ограничена цилиндрической боковой и задней торцовой стенками,а также антикатодом 4 с отверстиямидля извлечения ионов. Ионный пучок 25формируется ионпо"оптической системой, содержащей ускоряющий 5 и кольцевой замедляющий 6 электроды. Магнитное поле в пристеночной зоне образу-.ется магнитами 3, а в прикатодной З 0области - магнитной системой 7, выпол-.ненной, например, в виде соленоида.Катод 1 и анод 2 запитываются отосновного источника 8 питания, Отрицательныи пОлюс дополнитепьн 01 0 источни 3ка 9 подключен к аноду 2, а положительный в ,к магнитам 3. Для осуществления такой электрической связи магниты 3 изолированы от боковой стенки,Источник ионов работает следующим 4 О.образом, Рабочее вещество подаетсячерез полый катод 1 и в камеру черезсистему подачи (на чертеже не показана). При подаче напряжения с основного источника 8 порядка 15- 30 В(в зависимости от рода рабочего вещества) зажигается разряд, Электроны,эмиттируемые катодом (первичные электроны), ионизируют рабочее веществои нагревают образовавшиеся в результате ионизации электроны плазмы (вто- .ричные электроны). Ток первичныхэлектронЬв и их энергия регулируютсявеличиной расхода газа через катод 1и напряжением разряда,.что позволяетвыбрать оптимальный с точки зренияэнергозатрат режим работы источника,Уровень энергозатрат и газовая экономичность источника во многом определяется величинойпотока ионов и электронов на боковую стенку камеры. В данном источнике магниты 3 создают вблизи боковой стенки знакопеременноемагнитное поле, в котором электронызамагничены, что затрудняет их дрейфна боковую стенку. Поддержание положительного потенциала на магнитахотносительно плазмы (потенциал плазмы близок к потенциалу анода 2 в силуизвестных физических закономерностей)приводит к .возникновению радиальногонаправленного к оси электрическогополя перпендикулярного пристеночномуФмагнитному полю. Известно, что такоеэлектрическое поле может существоватьтольков условиях замкнутого азиму-.тального дрейфа электронов. Это условие выполняется в данной конструкции за счет кольцевой формы магнитовУказанное электрическое полеобеспечивает удержание ионов в объеме ГРК, Для электронов имеются каналы утечки на полюса пристеночных маг. нитов 3.Одйако из теоретических работ иэвестно, что ширина этих каналов составляет порядка ларморовского диаметра электронов. С учетом этого плот 1 ность электронного тока на полюсаобратно пропорциональна величине маг-(нитного поля В. При В10 Т энергетические затраты на поддержание электронного тока в цепи: анод-магниты малы .по отношению к затратам на ионизацию. По сравнению с известным источником поток ионов на боковую стенкуснижен за счет того, что в известномисточнике .имеются каналы утечек ионовна полюса магнитов, а в данной конструкции они отсутствуют. Таким образом, затраты мощности на поддержание пристеночного разряда исключены,а ток дополнительного источника питания определяется током утечек электронов. Для того, чтобы снизить потокионов на заднюю стенку целесообразноанод 2 основного разряда выполнятьв виде кольца, расположенного вблизизадней торцовой стенки. Это и предопределяет положительный эффект изоб;ретения.,В экспериментах исследовалась мо- . дель источника с кольцевыми магнитами из сплава ЮНДК, При расстоянии между полюсами 12 мм магнитное поле составляло 2 10 Т, При работе .на цезии. Тираж НИИПИ Государстве о делам изобретен 13035, Москва, Жого комнте и открыти Раушская/5 б д улПроектная, 4 риятие, г водственно-полиграфическое п П 5 818366 6удельные энергетические затраты (от- . вестном источнике, Изобретение позвоношение мощности в разряде к ионному ляет снизить удельные энергозатраты току пучка) не превышали 90 эВ/ион, в источнике на 10-127 при одновременчто на 10-12 Х ниже энергозатрат в из- ном упрощении конструкции источника.