СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ИСТОЧНИК ГАЗОВЫХ ИОНОВ

Полезная модель относится к источникам ионов, применяемых на ускорителях.
Известно, что стабильность зажигания и горения электрического разряда в газовой среде между электродами зависит от давления газа и величины электрического напряжения между электродами.
Известно устройство для стабилизации электрического разряда и уменьшения газового потока, применяемое в источнике ионов путем регулировки давления в разрядной камере установкой электромагнитного клапана на выходе источника, подвижный стержень которого открывает отверстие эмиссии ионов на время горения электрического разряда (авторское свидетельство 431576, 1974. Импульсный источник ионов (Баталии В.А. // Бюллетень ОИПТЗ, №21, 1975). Недостаток, низкий уровень стабилизации газового давления из-за инерционности движения металлического стержня электромагнитного клапана и его деформации во время ударов о стенки источника, отсутствие регулирования потока натекающего в источник газа.
Известно устройство, стабилизирующее электрический разряд в источнике ионов и давление в разрядной камере путем установки на выходе источника вращающегося круглого стержня с поперечными отверстиями, угловая скорость вращения которого синхронизирована с моментом зажигания электрического разряда (Журнал. ПТЭ №1. 2000 г. С. 144, 145). Недостаток, низкая стабильность величины газового давления в разрядной камере к моменту зажигания электрического разряда, вызванная инерционностью движения газовых потоков, заполняющих и вытекающих из разрядной камеры, приводящая к нестабильности генерации ионов источником.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является источник ионов, состоящий из: разрядной камеры с отверстием эмиссии ионов, электромагнитного клапана напуска газа в разрядную камеру связанного с системой управления напуском газа, электромагнитного клапана, перекрывающего отверстие эмиссии ионов, связанного с системой управления расхода газа, датчика давления, предназначенного для измерения давления рабочего газа в источнике ионов, и модулятора электрической дуги (авторское свидетельство №1394271, Источник ионов, Баталии В.А., Волков Ю.Н., Кондратьев Б.К. и др.).
Технической проблемой является низкая стабильность генерации ионов источником, вызванная инерционностью натекающего в разрядную камеру и вытекающего из нее (через отверстие) эмиссионных газовых потоков, приводящая к нестабильности зажигания и горения электрического разряда в источнике, особенно при его работе с повышенной частотой генерации ионов.
Технический результат - стабилизация процесса зажигания и горения электрического разряда в источнике путем регулирования давления и величины электрического напряжения.
Сущность предложенного заключается в стабилизации условий зажигания и горения электрического разряда в разрядной камере данного источника ионов путем одновременного регулирования как величины давления газа, так и величины пробойного электрического напряжения в разрядной камере источника.
Достигается это тем, что в стабилизированном источнике газовых ионов состоящим из: разрядной камеры с отверстием эмиссии ионов, датчика давления, установленного в разрядной камере, электромагнитного клапана напуска газа, соединенного с системой управления напуском газа, которая соединена с датчиком давления электромагнитного клапана, перекрывающего отверстие эмиссии ионов, соединенного с системой управления расхода газа, которая соединена с датчиком давления, модулятора электрической дуги, дополнительно установлена система управления амплитудой электрического напряжения модулятора электрической дуги, соединенная с датчиком давления и модулятором электрической дуги.
Известно, что величина (пробойного) электрического напряжения между электродами в газе, обеспечивающая устойчивое зажигание и горение электрического разряда, зависит от расстояния между электродами и от величины давления газа. Эта зависимость выражена широко известным законом Пашена (Ю.П. Райзер. Физика газового разряда. М. «Наука». С. 318-327. 1987).
Если, по какой-то причине, изменяется величина давления рабочего газа между электродами в разрядной камере (например, из-за изменения тока электрического разряда, приводящего к выгоранию рабочего газа, изменения условий вакуумной откачки в объеме за источником ионов, нестабильности перекрытия отверстия эмиссии ионов заслонкой электромагнитного клапана и др.) к моменту подачи пробойного электрического напряжения на электроды, электрический разряд между ними может не зажигаться или гореть с измененными параметрами, как токовыми, так и временными. Это приводит к нестабильности по частоте, амплитуде и форме импульсов ионного тока на выходе из источника. При постоянной величине электрического напряжения между электродами, в виду инерционности потоков напускаемого и вытекающего газа из источника, давление газа к моменту зажигания электрического разряда может отличаться от значений, соответствующих зажиганию и устойчивому горению разряда, определяемых законом Пашена.
Поскольку расстояние между катодом и анодом в источнике ионов неизменно, то оперативно компенсировать недостатки из-за инерционности установки рабочего давления можно путем изменения величины электрического напряжения между этими электродами, приведя условия зажигания электрического разряда в соответствие с законом Пашена.
На рис. показана схема, поясняющая работу стабилизированного источника газовых ионов.
Стабилизированный источник газовых ионов относится к ускорительной технике. Цель - повышение стабильности процесса генерации ионов за счет стабилизации величины давления газа в разрядной камере и регулирования величины электрического напряжения на катоде, обеспечивая оптимальные условия для возникновения и горения электрического разряда в разрядной камере. Что достигается, как за счет регулирования напуска и расхода газа в разрядной камере при помощи электромагнитных клапанов, установленных на входе и выходе разрядной камеры, режим работы которых задается соответствующими системами управления, связанными с датчиком давления, расположенным в разрядной камере, так и путем изменения амплитуды электрического напряжения, подаваемого на катод источника от модулятора электрической дуги, величина которой регулируется в соответствии с законом Пашена системой управления, связанной с датчиком давления.
Использованные в данной заявке, по сравнению с прототипом, предложенные конструктивные изменения, а именно, дополнительная установка системы управления амплитудой электрического напряжения модулятора электрической дуги, соединенная с датчиком давления и модулятором электрической дуги именно предложенным способом, позволяют реализовать достижение поставленной цели, соответствуя критерию полезная модель.
Стабилизированный источник газовых ионов состоит из разрядной камеры 1 с отверстием эмиссии 2, электромагнитного клапана напуска газа 3, соединенного (электрически связанного) с системой управления напуска газа 4, электромагнитного клапана 5, перекрывающего отверстие эмиссии, соединенного с системой управления расходом газа 6, датчика давления 7, предназначенного для измерения давления газа в разрядной камере, вакуумного объема 8, модулятора электрической дуги 9 и системы управления амплитудой электрического напряжения модулятора электрической дуги 10, соединенной с датчиком давления 7.
Пример 1. Стабилизированный источник газовых ионов работает следующим образом. При заданной величине давления рабочего газа в разрядной камере 1 импульс электрического напряжения, поступающий от модулятора электрической дуги 9 на катод источника ионов, зажигает в нем электрический разряд, ионизируя газ. Образовавшиеся ионы экстрагируются во внешний объем 8 через отверстие эмиссии 2.
Под действием электромагнитных сил, создаваемых электромагнитной катушкой в электромагнитном клапане напуска газа 3, его подвижная заслонка открывает газовую магистраль на время протекания тока по электромагнитной катушке. После окончания токового импульса заслонка возвращается в исходное состояние, прекращая подачу газа в источник ионов. Параметры импульсов тока, поступающих в электромагнитную катушку данного электромагнитного клапана, задаются системой управления напуском газа 4 в зависимости от показаний датчика давления 7. Путем их изменения устанавливается и регулируется уровень рабочего давления в разрядной камере 1 источника ионов. Под действием сигналов с датчика давления 7 система управления напуском газа 4 автоматически изменяет длительность и частоту посылок электрических импульсов, управляющих работой клапана напуска газа 3, таким образом, чтобы компенсировать возникшее отклонение давления в источнике.
Электромагнитный клапан 5, перекрывающий отверстие эмиссии, регулирует расход газа из разрядной камеры 1. В исходном состоянии его подвижная заслонка перекрывает отверстие эмиссии 2. Она открывает отверстие эмиссии под действием сигналов, поступающих с системы управления расхода газа 6. Эта система электрически связана с датчиком давления 7 для регулирования расхода газа. Она же связана с модулятором электрической дуги 9 таким образом, чтобы синхронизовать время открывания отверстия эмиссии 2 с импульсом, поджигающим электрический разряд в разрядной камере источника ионов, вне зависимости от сигналов, поступающих с датчика давления 7.
Система управления расходом газа 6 под действием сигналов с датчика давления 7 изменяет длительность и частоту следования электрических импульсов, управляющих работой электромагнитного клапана 5, таким образом, чтобы скомпенсировать возникающие отклонения давления в разрядной камере источника. При заданных режимах работы системы управления напуска газа 4 и системы управления расходом газа 6, подвижная заслонка электромагнитного клапана 3 открывается с определенной частотой на определенное время, обеспечивая напуск газа в разрядную камеру 1 строго нормированными порциями. При этом подвижная заслонка электромагнитного клапана 5 открывается на соответствующее время с соответствующей частотой, регулируя расход газа, перетекающего в вакуумный объем 8 (например, в ускоритель) через отверстие эмиссии 2.
Если давление в разрядной камере 1 увеличивается, то соответствующее изменение электрического сигнала с датчика давления 7, пропорциональное скачку давления, одновременно поступает на входы систем управления 4, 6 и 10. При этом система управления напуском газа 4 уменьшает длительность и частоту следования импульсов на своем выходе, что приводит к уменьшению частоты открывания заслонки в клапане напуска газа 3 и уменьшению времени ее открытого состояния, тем самым уменьшается подача газа в разрядную камеру 1. Одновременно, система управления расходом газа 6 увеличивает длительность и частоту следования импульсов на своем выходе. В результате подвижная заслонка электромагнитного клапана 5 начинает открывать отверстие эмиссии 2 чаще и на большее время, увеличивая утечку газа из разрядной камеры 1 в вакуумный объем 8.
Подобное уменьшение напуска газа в разрядную камеру 1 и увеличение расхода газа через отверстие эмиссии 2 компенсирует рост давления в разрядной камере, приводя его к рабочему значению на момент подачи на катод импульса электрического напряжения от модулятора электрической дуги 9.
Если давление газа в разрядной камере 1 по каким-то причинам уменьшилось относительно рабочего уровня, то системы управления 4 увеличивает напуск газа в разрядную камеру 1, а расход газа через отверстие эмиссии 2 уменьшает соответствующим образом система управления 6. В результате, давление газа в разрядной камере 1 повышается до требуемого значения.
Из-за инерционности процессов напуска и расхода газа подобная двуклапанная динамическая система регулировки не отличается быстродействием. Она эффективна для относительно не высокой частоты генерации ионов (как правило, это единицы Герц). При постоянной величине напряжения поджигающего импульса, поступающего на катод от модулятора электрической дуги, требуется, чтобы к моменту его подачи на катод источника давление газа успело восстановиться до величины соответствующей зажиганию и устойчивого горения электрического разряда. В ряде случаев, например, связанных с нестабильностью работы уплотняющих элементов электромагнитных клапанов или повышенной частоте генерации ионов, давление в разрядной камере может не успевать достигать значений оптимальных для электрического пробоя величин, соответствующих значениям графиков кривых Пашена (Ю.П. Райзер. Физика газового разряда. М. «Наука». С. 323. 1987). В этом случае электрический разряд в источнике либо не загорится совсем, либо будет нестабильно гореть. Импульс тока разряда будет изменяться по амплитуде и форме.
Для устранения данного явления в стабилизированном источнике газовых ионов предлагается регулировать величину амплитуды поджигающего разряд импульса электрического напряжения, поступающего на катод таким образом, чтобы согласно закону Пашена, при реальной величине давления газа мог возникать и нормально гореть электрический разряд. С этой целью в данной полезной модели дополнительно установлена система управления 10, позволяющая изменять амплитуду электрического напряжения на выходе модулятора электрической дуги 9. Она электрически соединена с датчиком давления 7 и модулятором электрической дуги 9. Данная система управления, в зависимости от существующих значений давления газа в разрядной камере источника, согласно электрическому сигналу с датчика давления 7, устанавливает величину амплитуды электрического напряжения V на выходе модулятора электрической дуги 9 такой, чтобы она удовлетворяла условиям возникновения и устойчивого горения электрического разряда согласно формуле закона Пашена
где: р - величина давления рабочего газа между электродами в разрядном промежутке, d - расстояние между этими электродами (в нашем случае оно неизменное), γ - коэффициент вторичной эмиссии, величина, зависящая от материала электродов, значение которой широко известно и приведено в таблице для различных металлов, А и В - константы, значения которых для различных газов широко известны и приведены в таблицах, например, см. (Ю.П. Райзер. Физика газового разряда. М. «Наука». С. 322, 323, 124, 127. 1987).
Поскольку время, требующееся для изменения амплитуды электрического напряжения импульса на выходе модулятора электрической дуги, существенно меньше времени, необходимого для стабилизации давления газа в разрядной камере клапанами, то это позволяет, компенсировать инерционность газовых потоков и более оперативно формировать условия для зажигания и устойчивого горения электрического разряда в источнике, особенно при работе с повышенной частотой генерации ионов.
Регулировка процессов как напуска и расхода газа, так и величины электрического напряжения на катоде в разрядной камере при помощи электромагнитных клапанов и соответствующих систем управления, связанных с датчиком давления газа, измеряющего давление в разрядной камере источника и модулятором электрической дуги, позволяет стабилизировать процесс зажигания и горения электрического разряда в источнике ионов. Что способствует повышению стабильности процесса генерации ионов стабилизированным источником газовых ионов.