Источник ионов

(19) (11 040543 З 27 У 04ч,КОМИТЕТ ССС ЕНИЙ И ОТНРЫТ ОСУДАРСТВЕН О ДЕЛАМ ИЭ ОП ОБРЕТЕНИ СТВ ЕТ ВТОРСХОМ(71) Московский ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции авиационный институт им. Серго Орджоникидзе(54)(57)1.ИСТОЧНИК. ИОНОВ, содержащийгазоразрядную камеру, образованнуюцилиндрической боковой, заоней иперфорированной передней стенками.выполненными из немагнитного матеоиала, внчтои котооой оазмещены катоди анод, ионно-оптическую систему,установленную со стороны переднейстенки камеры, внешнюю по отношению к камере многополюсную магнитную систему, полюса которой расположены вдоль образующей боковой стенки камеры, а также источник питания разряда, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью упрощения магнитной сис темы путем снижения рабочей индукции магнитного поля, внутри камеры между полюсами магнитной системы уст новлены дополнительные электроды и введен дополнительный источник питания разряда, положительный полюс которого соединен с дополнительными электродами, а отрицательный - с андом, при этом боковая стенка камеры электрически соединена с катодом.2, Источник ионов по и, 1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что магнит нгя система, выполнена так, что фор-. мируется магнитное поле с максимумом напряженности, отстоящее от боковой стенки внутрь камеры, а дополнительные электроды установлены между боковой стенкой камеры и местонахождением максимума магнитного поля.25 1 1010Изобретение относится к ускорителям и инжекторам ионов с газоразрядными источникам .юнов и может быть использовано в ионнолучевой технологии, космической технике, приразработке установок термоядерногосинтеза.Известен газоразрядный источникионов, в котором ионизация рабочего вещества оцуществляется в разряде 10 Пеннинга (в скрещенных Ехй полях),с однородным аксиальным магнитнымполем, протяженным анодом и горячимкатодом. Извлечение, формированиеи ускорение ионного пучка производится с помощью ионно-оптическойсистемы электростатического типа 1,Известному источнику присущи недостатки, связанные с высокими энергетическими затратами на ионизацию(на уровне б 00 эВ/ион для ртути)и неоднородным распределением плотности ионного тока по радиусу пучка(+503 и выше),Наиболее близким к предлагаемомупо технической сущности являетсяисточник ионов, содержащий газоразрядную камеру, образованную цилиндрической боковой, задней и перфорированной передней стенками, выполненными из немагнитного материала.внутри которой размещены катод и анод,ионно-оптическую систему, установленную со стороны передней стенки камеры, внешнюю по отношению к камере многополюсную магнитную систему,35 полюса которой расположены вдоль образующей боковой стенки камеры, а также источник питания разряда 2 .В известном источнике магнитная40 система выполнена в виде продольных,намагниченных в поперечном направ-, лении магнитов, расположенных равномерно по боковой стенке с наружной стороны газоразрядной камеры с45 последовательным чередованием полюсов на противоположные. В результате вблизи боковой стенки камеры обра" зуется область спадающего к оси камеры магнитного поля, в которой электроны замагничены, и их дрейф на стенку затруднен.Так как в основном объеме камеры магнитное поле слабо, действие силы Лоренца не проявляется в силу чего отсутствуют причины появления градиентов параметров плазмы в поперечном направлении за исключением пристеночной области, которая 543 2 узка. В результате в известном ис точнике достигается высокая равномерность распределения плотности токапо пучку. Боковая стенка известного источника поддерживается подплавающим (электрически изолированаот катодови анода) или анодным(электрически соединена с анодом)потенциалом, В обоих случаях из-зазамагниченности электронов потенциал стенки положителен по отношениюк катоду и близок к потенциалу плазмы источника. В результате великовыпадение ионов на боковую стенкуиз объема камеры,. поскольку отсутствует потенциальный барьер, препятствующий их выпадению. Это приводит к снижению газовой экономичности источника и повышению энергозатрат на повторную ионизацию прорекомбинировавших на стенке ионов.Чтобы предотвратить указанные потери ионов, приходится использоватьсильное .магнитное поле с индукциейна уровне 11-2 )10 Гл. Получение татких полей с помощью постоянных магнитов,затруднительно а магнитнаясистема на базе электромагнитовсложна в конструктивном отношении,Цель изобретения - упрощениеконструкции магнитной системы путем, снижения рабочей индукции магнитного поля,Поставленная цель достигаетсятем, что в источнике, содержащемгазоразрядную камеру, образованную цилиндрической боковой, заднейи перфорированной передней стенками, выполненными из немагнитногоматериала, внутри которой размещеныкатод и анод, ионно-оптическую систему, установленную со стороны передней стенки камеры, внешнюю поотношению к камере многополюснуюмагнитную систему, полюса которойрасположены вдоль образующей боковойстенки камеры, а также источник питания разряда, внутри камеры междуполюсами магнитной системы установ"лены дополнительные электроды и введен дополнительный источник питанияразряда положительный полюс которого соединен с дополнительнымиэлектродами, а отрицательный - санодом, при этом боковая стенка камеры электрически соединена с катодом.Кроме того магнитная система может быть выполнена так, что формиру3 10405ет магнитное поле с максимумом напряженности, отстоящее от боковойстенки внутрь камеры, а дополнительные электроды установлены между боковой стенкой камеры и место".положением максимума магнитного поля.На фиг. 1 показан источник,продольный разрез; на фиг. 2 - тоже, поперечный разрез; на фиг. 3 схема ячейки пристеночной области.10Источник содержит газоразряднуюкамеру, образованную цилиндрической боковой стенкой 1, например прямоугольного сечения, задней торцовбйстенкой 2 и перфорированной переднейстенкой 3. Внутри камеры расположены термокатод 4 и анод 5, которыйодновременно может выполнять рольгазораспределителя. Ионно-оптичес"кая система установлена со стороны перфорированной передней стенки.и содержит ускоряющий 6 и замедляющий 7 электроды. Замедляоций элек"трод может быть кольцевым или пер-:.форированным с отверстиями, сооснвми. отверстиям в передней стенке 3 иускоряющем электроде 6. Отверстияв электродах могут быть выполненыкак в виде щелей, так и круглыми.Все элементы изготовлены из немагнитного материала.,Магнитная система установленаснаружи камеры и является многополюсной с четным числом полюсов. Онаможет быть образована, например,системой постоянных магнитов, уста-:.новленных на боковой стенке камеры 1вдоль ее образующей и намагниченныхв поперечном направлении. Таким об- "разом, вблизи боковой стенки источ-,ника формируется знакопеременноемагнитное поле, быстро спадающеепо нормали от стенки камеры. Междукаждой парой разноименных полюсовбоковой стенки (но,в обьеме камеры)установлены дополнительные электроды 8, выполненные из немагнитногоматериала, например из нержавеющейстали, Катод и стенки камеры, вклю- .чая боковую 1, электрически соеди"нены с катодом, а анод 5 .и дополнительные электроды 8 электрическиизолированы от стенок. Источник 9питания разряда подключен к катоду4 и аноду 5 обычным образом. Крометого, введен дополнительный источник 5510 питания, положительный полюс-которого соединен с дополнительнымиэлектродами 8, а отрицательный - с анодом 5. Кроме того, имеются двавысоковольтных .источника 11 и 12питания. Источник 11 подключен положительным полюсом к стенкам камеры, а отрицательным - к замедляющему электроду 7. Отрицательныйполюс источника 12 подключен к ускоряющему 6, а положительный - к замедляющему 7 электродам. Магнитнаясистема образована постоянными магнитами 13, которые могут быть окружены магнитопроводом 14. На фиг,2и 3 показаны, кроме того, силовыелинии магнитного поля, магнитнаяиндукция В, напряженность Е электри"ческого поля и холловский ток электроновИсточнйк работает следующим образом,После прогрева термокатода 4,подачи рабочего газа и напряженияот источников 9 и 10 в газоразрядной камере зажигается разряд междукатодом 4,. анодом 5 и дополнительнымиэлектродами 8. Разряд может инициироваться с помощью цепи поджига (не показана) После этого подается напряжение от источников 11 и 12 питания. Образующиеся в разряде ионы попадают в отверстия передней стенки 3 и ускоряются в ионно-оптической системе. В силу известных физических особенностей разряда данного типа потенциал плазмы в газоразрядной камере близок к потенциалу анода. До" полнительные электроды 8 поддержива". ются под более высоким (порядка 3-5 В ) по отношению к плазме потенциалом с помощью дополнительного источника 9 питания. Вблизи дополнительных электродов 8 (фиг. 3) устанавлива"ется зона разряда со скрещеннымиН полями, в которой напряженность магнитного поля Н параллельнадополнительным электродам 8, а напряженность электрического поля Е направлена нормально к электродам 8 внутрь обьема камеры, Дпя эффективного поддержания поля Е требуется выполнение замкнутости (или квази- замкнутости) дрейфового тока электронов 1 . В данном случае этот токнаправлен вдоль образующей боковойстенки, Перемыкание токов, протекающих в соседних пристеночных ячейках, происходит вблизи задней и перед ней торцовых стенок камеры. В этих условиях происходитэффективное удержание ионного компонента плазмы,Использование изобретения позволяет упростить магнитную систему источника путем снижения рабочей ин дукции магнитного поля в 5-8 раз,3 оцой температура которого может быть близка к температуре стенки, Из более детального рассмотрения процессов в слое удержания ионов следует, что энергетические затраты на поддержание такого слоя зависят от проводимости плазмы поперек магнитного поля. Анализ устойчивости слоя показывает, что наименьшая проводимость слоя в том случае, если дополнительные 10 электроды 8 расположены в области спадающего по направлению к ним магнитного поля (фиг, 3). В этом случае, проводимость слоя обратно пропорцио" нальна В. Укаэанное условие может 15 быть выполнено, если магнитная система создает поле такой конфигураЦии что максимум магнитного поля отстоит от боковой стенки на некотором расстоянии, Как показывают расчеты, про веденные для постоянных магнитов прямоугольного сечения, охваченных магнитопроводом (фиг. 2),данные условия выполняются. Величина градиента поля может задаваться конфигурацией магнитов. Величина магнитного поляв месте расположения электродов8 рассчитывается из условий замагниченности электронов и незамагниченности ионов по известным соотношениям. 8 практически важных случаях в зависимости от рода рабочегогаза магнитная индукция может составлять (1-4)10 Тл. Подобные полялегко обеспечиваются как с помощьюэлектромагнитов, так и постоянныхмагнитов. Одно из главных преимуществ рабочего процесса заключаетсяв том, что уже при столь умеренныхполях снижается рекомбинация ионовна боковой стенке камеры, в результате повышается газовая экономичностьисточника и снижаются энергоэатраты,связанные с повторной иониэациейатомов,1010543 4 Ъ 7,Составитель А.Рахимоактор С Аско Техред И.Иетелева орректор О,Тигор ал ППП "Патент", г, Ужгород, ул. Проектн аказ 69 ЙО/55 Тираж УОЗ ВНИИПИ Государств по делам изобре 113035, Иосква, ЖПодписнного коМитета СССний и открытийРауаская наб., д,