Источник отрицательных ионов

(5 И 4 Н 01 1 27/04 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(71) Институт ядерной физики СО АН СССР(56) Ргос. Бппр, Ргойцсгоп апй Меойга 1 ггагоп оГ Нецагдче Нус 1 го 8 еп Ропв апс 1 Веашв, ВИЬ 50727, У 4, 1977.Бельченко Ю.И. и др. Журнал технической физики, 45, 68, 1975. (54)(57) ИСТОЧНИК ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ИОНОВ, содержащий газоразрядную камеру с эмиссионной щелью в стенке и газоразрядной ячейкой с устройством подачи рабочего вещества и цезия,о т л и ч а ю щ и й с я тем,что, сцелью увеличения ресурса работы,повышения устойчивости режимов сэффективной генерацией ярких пучковотрицательных ионов и упрощенияконструкции источников, газоразрядная ячейка образована стенкой газоразрядной камеры с эмиссионной щелью,которая служит анодом, и катодом,который выполнен иэ тугоплавкогометалла и имеет на торце, расположенном против эмиссионной щели,углубление в виде канавки с полуцилиндрической поверхностью, ось которой совмещена с эмиссионной щелью.1 85Изобретение относится к технике получения пучков ускоренных частиц и предназначено для получения пучков отрицательных ионов, главным . образом пучков отрицательных ионов изотопов водорода с высокой яркостью пучка для ускорителей.Известны источники для получения пучков отрицательных ионов, в которых используется добавление цезия в газоразрядные камеры источников.Проведенными исследованиями установлено, что обнаружейное увеличение скорости образования отрицательных ионов при добавлении цезия,в, газоразрядную камеру обусловлено интенсификацией поверхностно-плазменного механизма генерации отрицательных ионов - образования отрицательных ионов при бомбардировке интенсивными потоками частиц газо- разрядной плазмы поверхности электродов газоразрядной ячейки за счет захвата электронов из электродов на уровни электронного средства распыленных и отразившихся частиц рабочего вещества. Интенсификация поверхностно-плазменного механизма генерации отрицательных ионов обусловлена увеличением в сотни раз вероятности ухода распыленных и отразившихся частиц с поверхности в видде отрицательных ионов при уменьше 4нии работы выхода электродов-за счет адсорбции подаваемого цезияНаиболее близким к изобретению по технической сущности является источник отрицательных ионов, содержащий газоразрядную камеру с эмиссионной щелью в стенке и газоразрядиой ячейкой с устройством подачи рабочеговещества и цезия.1Эффективная генерация пучковионов Н с высокой яркостью обеспечивается только в сравнительно узкомдиапазоне режимов работы этих источников, что требует тщательной оптимизации параметров и затрудняетуправление.Целью изобретения является увеличение ресурса работы, повышение устойчивости режимов с эффективной генерацией ярких, пучков отрицательныхионов и,упрощение консУрукции источника.Для этого в источнике отрицательных ионов, содержащем газоразрядную камеру с эмиссионной щелью в стенке4197 5 1 О 15 20 25303540455055 и газоразрядной ячейкой с устройством подачи рабочего вещества и цезия, гаэоразрядная ячейка образована стенкой газоразрядной камеры с эмиссионной щелью, которая служит анодом, и катодом, который выполнен из тугоплавкого металла и имеет на торце, расположенном против эмиссионной щели, углубление в виде канавки с полуцилиндрической поверхностью, ось которой совмещена с эмиссионной щелью. Для источников с одной эмиссионной щелью оптимальная глубина канавки 2 мм, ширина 4 мм. По направлению дрейфа электронов в скрещенных полях канавка прерывается, не доходя до края катода, а с противоположной стороны на входе канавки с торца катода делается углубление до облегчения зажигания разряда. В это углубление подается газообразное рабочее вещество и пары цезия. При такой конфигурации электродов газоразрядной ячейки обеспечивается зажигание и устойчивое горение сильноточных тлеющих разрядов без флуктуаций параметров плазмы, обеспечивающих эффективную генерацию пучков отрицательных ионов с высокойяркостью, в более широком диапазонеизменения магнитного поля, подачирабочего вещества и цезия, чем вдругих источниках отрицательныхионов, а конструкция в целом обеспечивает более надежную работуисточника,На фиг. 1 изображен источникотрицательных ионов; на фиг. 2разрез А-А фиг.1.Источник состоит из корпуса газоразрядной камеры 1 с выемкой для катода и эмиссионной щелью 2 в тонкой стенке газоразрядной камеры, массивного катода 3, укрепленного в выемке корпуса 1 через изолятор 4., Полный катод образован канавкой с полуцилиндрической поверхностью 5 на торце катода, примыкающем к эмиссионной щели. В катоде и аноде проделаны каналы 6 для подачи рабочеговещества и подачи цезия из контейнера 7. В катод и в корпус газоразрядной камеры впаяны трубки 8 и 9для охлаждающего агента. Газоразрядная камера электрически изолирована от основания. 10 с извлекающим электродом 11, полюсами магнита 12 и окном 13 для пучка отрицательных. ионов 14. Источник работает следующим образом. В газоразрядную ячейку по каналу 6 в катоде или аналогичному каналу в аноде подается газообразное рабочее вещество, а из кон.тейнера 7 - пары цезия. Между катодом 3 и корпусом газоразрядной камеры 1 прикладывается напряжение, поджигающее и поддерживающее разряд.,При достаточно малых зазорах (О, 5-1 мм) между катодом и анодом разряд локализуется в полуцилиндрической канавке 5 примыкающей к эмиссионной щели 2,При глубине канавки 2 мм сильноточный тлеющий разряд, генерирующий отрицательные ионы, зажигается и без магнитного поля, но без магнитного поля вместе с отрицательными ионами извлекается интенсивный поток сопутствующих электронов, который формируется в пучок. В этом режиме из источника можно получать интенсивные пучки ускоренных электронов. Для запирания сопутствующих электронов полюсами магнита 12 создается магнитное поле, замагничивающее электроны. За счет уменьшения подвижности электронов поперек магнитного поля уменьшается скорость их продвижения через эмиссионную щель и они успевают уйти на стенки эмиссионной щели вдоль магнитного поля, тогда как отрицательные ионы с много большими ларморовскими радиусами .проходят через эмиссионную щель свободно.В присутствии магнитного поля электроны разряда дрейфуют вдоль канавки. Для предотвращения проник- новения электронов на изолятор 4 канавка прерывается до ее выхода на край катода, к которому дрейфуют электроны, а изолятор экранирован от остающегося потока плазмы лабиринтом. Для облегчения зажигания разряда противоположная часть канавки углублена и именно в эту область подается рабочее вещество и цезий.Цезий ионизируется в разряде ипереносится на рабочую поверхность катода в виде ионов. За счет адсорбции цезия уменьшается работа выхода и увеличивается коэффициент вторичной конно-электронной эмиссии катода.При этом напряжение разряда в водороде уменьшается с 600 до 100 В.Одновременно увеличивается коэффициент вторичной эмиссии отрицательных ионов с катода, бомбардируемогобыстрыми ионами. Образовавшиесяотрицательные ионы ускоряются прикатодным падением напряжения междукатодом и плазмой, Ускоренные отрицательные ионы фокусируются полуцилиндрической поверхностью канавкина эмиссионную щель 2. Однако придвижении через плазму при больших 10 токах разряда часть отрицательныхионов успевает разрушиться и онипреобразуются в поток ускоренныхатомов, которые бомбардируют стенки,эмиссионные щели и прилегающие стен ки анода. За счет адсорбции цезияработа выхода этих поверхностей также уменьшается, а коэффициент вторичной эмиссии отрицательных ионовувеличивается, так что и с этих пор 0 верхностей эмиттируется интенсивныйпоток отрицательных ионов, формируемый в .пучокПоток отрицательных ионов, проходящий через эмиссионную щель, ускоряет ся высоким напряжением, приложенныммежду корпусом газоразрядной камеры1 и пластинами вытягивающего электрода 11, и формируется в пучок 14.Через эмиссионную щель выходит ипоток ускоренных атомов рабочеговещества, образовавшихся за счетразрушения в плазме разряда ускоренных отрицательных ионов. Предлагае,мый источник обеспечивает генерацию Э 5направленного потока ускоренных атомов с энергией, определяемой напряжением разряда, и эмиссионной плотностью потока до нескольких эквива 1 лентных ампер на 1 см . При доста точном потоке цезия тлеющий разрядв водороде горит без регистрируемыхфлуктуаций напряжения и тока разрядапри изменении напряженности магнитного поля в области газоразряднойчз45 ячеики от 0 до 10 Э. Для предотвращения выхода потока сопутствующихэлектронов через эмиссионную щель столщиной стенок 1 мм и шириной 0,5 ммдостаточно магнитного поля с напряжением 200 - 300 Э. Исследованные образцы поверхностно-плазменных источников предлагаемой конструкции обеспечивали получе ние импульсных пучков Н с интенсив ностью до 175 мА при размерах эмиссионной щели 0,3 х 10 мм . При выключении магнитного поля получались пучки электронов,с интенсивностью12 г.2 КоРРектоР И. Муска одписное комитета СССРи открытийкая наб., д. 4/5 Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная 48541 до 0,3 А. Этот источник можно исполь. эовать и для получения пучков положительных ионов.По эффективности генерации отрицательных ионов и яркости получаемых пучков предлагаемый источник аналогичен разработанному ранее поверхностно-плазменному источнику с пеннинговской газоразрядной ячейкой, но благодаря существенному упрощению 10 конфигурации электродов газоразрядной ячейки трудоемкость его изготовления меньше, а ресурс работы должен быть существенно большим. В предлагаемой конструкции легко обеспе , чивается интенсивное охлаждение рабочих поверхностей электродов, допускаются более форсированные режимы работы. Генерация пучков ионов Н без регистрируемых флуктуаций пара метров обеспечивается в существенно едактор О.Юркова Техред М.Пароцакаэ 8535/5 Тираж 678ВНИИПИ Государственногопо делам изобретений113035, Москва, Ж, Рауш 97 Ьболее широком диапазоне изменения магнитного поля, подачи водорода и цезия. Благодаря симметричной конст. рукции газоразрядной ячейки можно обеспечивать более интенсивную активацию поверхности эмиссионной щели . и регенерацию газораэрядной ячейки разрядами обратной полярности. Магнитное поле источника заворачивает извлеченный пучок отрицательных ионов на малый угол (10 рад) так, что становится возможным дальнейшее формирование пучка с помощью клиновидного поворотного магнита с поворотом пучка на малый . угол в плоскости большей расходимости. Такая система существенно проще применявшейся ранеесистемы формирования с поворотом пуч,ка на 90 в плоскости эмиссионной щели. Это позволяет уменьшить полный вес источника почти в 10 раз.