ДУОПЛАЗМАТРОН ДЛЯ МАЛЫХ ДАВЛЕНИЙ РАБОЧЕГО ГАЗА

Полезная модель относится к источникам ионов, применяемым на ускорителях заряженных частиц, и может использоваться в областях, требующих ускоренные ионы.
Широко известны источники ионов дуоплазматронного типа, содержащие катод, промежуточный электрод, анод с отверстием эмиссии и магнитопровод с электромагнитной катушкой, создающей продольное аксиально-симметричное магнитное поле между анодом и промежуточным электродом, предназначенное для удержания электронов в плазме (Габович М.Д. Плазменные источники ионов. Киев.: Наукова думка, 1964). Недостаток, малая величина фазовой плотности тока в пучке ионов, вызванная наличием аксиального магнитного поля между анодом и промежуточным электродом, и большим потоком неионизированного газа на выходе источника.
Известен источник ионов (ИИ) дуоплазматронного типа, в котором, для уменьшения потока неионизированного (остаточного) газа из источника, на его выходе установлен электромагнитный клапан с подвижной заслонкой, открывающей отверстие эмиссии в аноде только на время экстракции ионов из источника (Баталин В.А., Коломиец А.А., Кондратьев Б.К. и др. ПТЭ. 1978. №3. С. 35).
Недостаток, низкая фазовая плотность тока пучка на выходе ИИ из-за действия продольного аксиального магнитного поля на поток электронов в плазме между анодом и промежуточным электродом и большого давления рабочего газа.
Известен источник ионов дуоплазматронного типа с магнитными ловушками, удерживающими плазму внутри полого цилиндрического катода и промежуточного электрода при помощи мультипольных магнитных полей особой конфигурации (Б.К. Кондратьев, А.В. Турчин, В.И. Турчин. Модернизация инжектора многолучевого ускорителя протонов. ПТЭ. 2009. №4. С. 29-41).
Недостаток, низкая фазовая плотность тока пучка на выходе ИИ. Что вызвано как наличием продольного магнитного поля в области между анодом и промежуточным электродом, так и высоким давлением рабочего газа в дуоплазматроне, из-за ухода электронов из плазмы в полостях катода и промежуточного электрода через магнитные щели в мультипольных магнитных полях на их боковые стенки.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является дуоплазматрон, содержащий соосно расположенные: полый безнакальный катод, промежуточный электрод с отверстием, на внешней стороне которого по периметру установлены постоянные магниты для формирования в полости промежуточного электрода мультипольного магнитного поля, анод с отверстием эмиссии и электромагнитный клапан, подвижная заслонка которого перекрывает отверстие эмиссии. (В.К. Kondrat'ev, V.V. Kushin, S.V. Plotnikov at all. An Injector for a Multibeam Proton Accelerator. Instruments and Experimental Techniques. Vol. 47. No. 4. 2004. pp. 425-432).
Техническая проблема заключается в низкой фазовой плотности тока пучка как по причине отсутствия механизма удержания плазмы в области между анодом и промежуточным электродом, так и вследствие большого потока неионизированного газа на выходе источника, вызванного низкой эффективностью его ионизации из-за ухода из катодной полости быстрых электронов, эмитированных стенками катода.
Техническим результатом данной полезной модели является повышение фазовой плотности тока пучка ионов на выходе дуоплазматрона для малых давлений рабочего газа за счет уменьшения перезарядки и рассеяния ионов пучка на молекулах остаточного газа на выходе источника ионов, более эффективного использования электронов, эмитируемых стенками в катодной полости, для ионизации газа в ней, а также удерживания плазмы от радиального разлета без повышения ее температуры в области экстракции ионов в пучок.
Сущность предложенной полезной модели заключается в реализации в настоящей конструкции ряда физических эффектов. А именно, использование катодной полости безнакального катода в режиме электростатической ловушки, обеспечивающей более эффективное удерживание электронов в катоде. Поскольку, в ловушке такого типа отсутствуют магнитные щели, то это позволяет использовать всю начальную энергию инжектируемых стенками катодной полости быстрых электронов для ионизации газа внутри нее - фактор, существенный в условиях работы с малыми давлениями газа. А также создание между анодом и промежуточным электродом мультипольного магнитного поля заданной конфигурации, величина которого стремится к нулю в области центральной продольной оси источника ионов и резко нарастает по мере от ее удаления. Наличие такого поля обеспечивает удерживание плазмы в зоне формирования ионного пучка от радиального разлета без повышения ее температуры.
Достижение технического результата обеспечивается предложенной конструкцией дуоплазматрона для малых давлений газа, состоящего из соосно расположенных на центральной продольной оси источника полого безнакального катода, промежуточного электрода с отверстием, где по периметру промежуточного электрода установлены магниты для формирования в его полости мультипольного магнитного поля, анода с отверстием эмиссии, электромагнитного клапана, подвижная заслонка которого перекрывает отверстие эмиссии, а торцевая сторона полого безнакального катода перекрыта со стороны анода металлической диафрагмой с отверстием, площадь которого равна или больше отношения произведения учетверенного объема полости безнакального катода на величину средней энергии, затрачиваемой электроном на ионизацию газа к величине средней длины пробега, обеспечивающей ионизацию газа электронами, эмитируемыми стенками катодной полости, умноженной на величину энергии этих электронов, при этом между анодом и промежуточным электродом установлены магниты таким образом, что они позволяют создавать в этом пространстве мультипольное аксиально-симметричное магнитное поле заданной конфигурации, величина которого вблизи центральной продольной оси источника стремится к нулю и резко нарастает по мере удаления от этой оси.
В предлагаемом дуоплазматроне для малых давлений рабочего газа применен ряд физических эффектов, приводящих к уменьшению перезарядки и рассеяния ионов пучка на молекулах остаточного газа за счет более эффективного использования быстрых электронов, эмитируемых стенками в катодной полости, для ионизации рабочего газа. Также обеспечивается удерживание плазмы от радиального разлета в области экстракции ионов в пучок без повышения ее температуры. Использование в данной полезной модели таких технических решений, как безнакальный катод в режиме электростатической ловушки для электронов, и установка магнитов между анодом и промежуточным электродом таким образом, чтобы они создавали в этой области мультипольное магнитное поле предложенной конфигурации, позволили реализовать изложенные выше физические эффекты и обеспечить генерацию ионных пучков с большой фазовой плотностью тока при малой величине давления рабочего газа.
Фазовая плотность тока пучка ионов J определяется согласно (Капчинский И.М. Теория линейных резонансных ускорителей. -М.: Энергоиздат, 1982 г.) по формуле
p
где: I - ток пучка ионов, V - фазовый объем пучка ионов.
Известно, что движение электронов вдоль силовых линий магнитного поля в плазме приводит к возникновению плазменных неустойчивостей и развитию плазменных колебаний, способствуя росту температуры плазмы (Михайловский А.Б. Теория плазменных неустойчивостей. -М.: Атомиздат, 1975 г.). При отборе ионов в пучок из плазмы, рост ее температуры приводит к увеличению фазового объема пучка и уменьшению фазовой плотности его тока (1). В большинстве конструкций дуоплазматронов между анодом и промежуточным электродом создается аксиально-симметричное продольное магнитное поле с целью препятствия радиальному разлету плазмы и обеспечения генерации ионных пучков с требуемой величиной тока. Однако, движение электронов, инжектируемых из полости промежуточного электрода в сторону анода вдоль силовых линий магнитного поля, приводит к росту температуры плазмы в области формирования ионного пучка. Так, в типовых дуоплазматронах температура плазмы в катодной камере составляет величину ~1 эВ. В области между промежуточным электродом и анодом, из-за развития плазменных неустойчивостей, она повышается до 5-7 эВ (Семашко Н.Н., Владимиров А.Н., Кузнецов В.В. и др. Инжекторы быстрых атомов водорода. -М.: Энергоиздат, 1981 г.).
В работе (Б.К. Кондратьев, А.В. Турчин, В.И. Турчин. Модернизация инжектора многолучевого ускорителя протонов. ПТЭ. 2009. №4. С. 29-41) показано, как наличие потока неионизированного газа в зоне формирования ионного пучка приводит к рассеянию и перезарядке ионов пучка на молекулах остаточного газа.
p
Тем самым увеличивая фазовый объема ионного пучка V и уменьшая величину его тока I.
Перечисленные выше факторы, согласно (1), приводят к уменьшению фазовой плотности тока J в экстрагируемом из источника ионном пучке.
В данной полезной модели уменьшение роста температуры плазмы в области между анодом и промежуточным электродом в зоне формирования ионного пучка, одновременно с ее удержанием от радиального разлета, предложено созданием между анодом и промежуточным электродом мультипольного магнитного поля особой конфигурации. Величина напряженности такого поля вблизи центральной продольной оси источника, на которой находится отверстие эмиссии, близка к нулевому значению и резко нарастает по мере удаления от этой оси. Радиус отверстий эмиссии в дуоплазматронах, как правило, не превосходит величины 1 мм. В результате, электронный поток из промежуточного электрода к аноду, ионизирующий газ в данной области, будет двигаться к аноду в створе пространства с исчезающее-малой величиной магнитного поля, что обеспечивает получение низкой температуры плазмы в области отверстия эмиссии. Наличие в данном магнитном поле нарастающего градиента напряженности на периферии приводит к возникновению радиального магнитного давления, препятствующего радиальному разлету электронов плазмы тем сильнее, чем больше будет их удаление от центральной продольной оси источника. Данный фактор способствует возврату этих электронов в зону с более слабым магнитным полем, позволяя повысить плотность плазмы при отборе ионов в пучок.
Уменьшить влияние остаточного (неионизированного) газа на эффекты рассеяния и перезарядки ионов в пучке, экстрагируемом из ИИ, возможно, если обеспечить работу дуоплазматрона в режиме с малым давлением рабочего газа в источнике. Получить высокую плотность плазмы при малых давлениях рабочего газа возможно, если увеличивать плотность потока эмитируемых катодом электронов, ионизирующих газ в источнике. С этой целью в полости катодного цилиндра формируется плазма с высокой плотностью электронной компоненты, которая в дальнейшем будет использоваться в качестве эмиттера электронов, для ионизации газа в ИИ. На начальном этапе ионизация газа в катодной полости производится быстрыми электронами, эмитируемыми катодными стенками. Плотность образованной ими плазмы будет зависеть от того какую часть своей начальной энергии эти электроны используют для ионизации газа в катодной полости до момента их ухода из нее. Для предотвращения преждевременного ухода первичных электронов из катодной полости в данной полезной модели, конструкция полого безнакального катода выполнена в виде электростатической ловушки, позволяющей эффективно удерживать быстрые электроны в катоде.
Применение перечисленных выше физических принципов и технических решений в предлагаемой полезной модели обеспечивает достижение заявленного технического результата.
На рис. 1 показана схема, поясняющая в рамках настоящей полезной модели работу дуоплазматрона для малых давлений рабочего газа, состоящего из: полого металлического безнакального цилиндрического катода 1, установленного на металлическом стержне с продольным каналом для подачи рабочего газа в полость этого катода и электрически соединенным с блоком электропитания БП1, металлической диафрагмы 2, перекрывающей полость катода со стороны анода с апертурой 3, имеющей площадь в соответствии с (4), промежуточного электрода 4 с отверстием в конусном сужении, электрически соединенного с блоком электропитания БП2, шести магнитов 5, установленных равноудаленно на внешней стороне промежуточного электрода по его радиальному периметру и формирующих внутри него аксиально-симметричное мультипольное магнитное поле 6, шести магнитов 7, установленных между промежуточным электродом 4 и анодом 9 таким образом, что они формируют мультипольное аксиально-симметричное магнитное поле 8 между промежуточным электродом и анодом 9 с отверстием эмиссии 10, которое перекрывается подвижной заслонкой электромагнитного клапана 11, электрически соединенного с блоком электропитания БПЗ.
На рис. 2 показаны, конфигурация силовых линий мультипольного магнитного поля 8, создаваемого магнитами 7 в зазоре между анодом 9 и промежуточным электродом 4, и изменение величины индукции этого поля в зависимости от расстояния R между плоскостью магнитов и центральной продольной осью дуоплазматрона для малых давлений рабочего газа. Пример 1.
Дуоплазматрон для малых давлений рабочего газа работает следующим образом. В исходном состоянии подвижная заслонка электромагнитного клапана 11 перекрывает отверстие эмиссии 10 в аноде 9, который электрически заземлен. Рабочий газ заполняет ИИ через канал в катодном стержне. Перед началом рабочего цикла электрический импульс поступает с БПЗ на электромагнитный клапан 11, заставляя его заслонку открыть отверстие эмиссии 10 в аноде 9. Затем с БП1 и БП2 импульсы электрического напряжения отрицательной полярности подаются на катод 1 и промежуточный электрод 4. Причем, величина амплитуды катодного импульса больше амплитуды электрического импульса, подаваемого на промежуточный электрод 4. Электроны (первичные быстрые электроны), вырванные с боковых стенок катодной полости электрическим полем, возникшим в результате разности электрических потенциалов между катодом и промежуточным электродом, начинают осциллировать внутри катодной полости, ионизируя рабочий газ. Энергия первичных электронов близка к величине электрического напряжения между промежуточным электродом и катодом. Поэтому, в литературе такие электроны называют «быстрыми». В катодной полости образуется плазма, плотность которой зависит от эффективности ионизации газа этими электронами.
Электрон, эмитированный катодной стенкой, ускоряется электрическим полем в катодном слое, возникающим между стенкой и плазмой. В этом слое сосредоточено основное электрическое поле. При малом давлении (плотности) газа быстрый электрон может, не растратив свою энергию на ионизацию молекул по пути к другой стенке, преодолеть, тормозящее его движение электрическое поле в катодном слое противоположной стенки и диффундировать на ее поверхности. Но, если на своем пути он затратил часть своей начальной энергии, хотя бы в одном акте ионизации газа, то оставшейся энергии не хватит на преодоление электрического поля в катодном слое противоположной стенки. Такой электрон, проникнув в этот слой на определенную глубину, отразится в обратную сторону. В результате, первичные электроны начинают осциллировать между стенками в катодной полости, ионизируя газ. Но, после ряда отражений электрическими полями в катодных слоях боковых стенок катодной полости, они приобретают аксиальную составляющую скорости движения, и могут покинуть эту полость, не растратив имеющуюся энергию на ионизацию газа.
Длину пробега ∧ первичных электронов, на которой они растратят всю первоначальную энергию на ионизацию газа, можно рассчитать согласно работе (А.С. Метель. Тлеющий разряд с электростатическим удержанием электронов для генерации плазмы и пучков ускоренных частиц. Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук. Москва. 2005 г.) по формуле
где: е - заряд электрона, U - величина электрического напряжения между катодом и промежуточным электродом (в данной полезной модели), λ - длина пробега электрона в рабочем газе до акта ионизации молекулы газа, W - величина средней энергии, затрачиваемой быстрым электроном на ионизацию молекулы газа, в результате которой образуется хотя бы один электрон (энергетическая цена ионизации газа).
Согласно этой же работе, длина пути L, которую проходит первичный электрон до ухода из катодной полости зависит от конструкции полости и ее можно оценить как
где: V - объем катодной полости, S - площадь отверстия в диафрагме, перекрывающей катодную полость. Из (2) и (3) следует, если конструкция катода выполнена таким образом, что обеспечивается условие, когда L≤∧, то быстрые электроны затратят всю свою первоначальную энергию на ионизацию газа внутри катодной полости.
Т.о., согласно (2) и (3), рассчитать величину площади S апертуры 3 в диафрагме 2 катода 1, рис. 1, при которой выполняется условие образования электростатической ловушки для первичных электронов при малой плотности газа, обеспечивающей получение в катодной полости плазмы с максимальной плотностью, можно по формуле
Количество плазменных (вторичных) электронов, образованной в катодной полости первичными быстрыми электронами с катодных стенок, будет на несколько порядков превосходить число быстрых электронов (А.С. Метель. Особенности установления квазистационарного состояния сильноточного разряда с полым катодом при пониженных давлениях газа. Журнал технической физики. 1986. Т. 56. Вып. 12. С. 2329-2339). Плазменные (вторичные) электроны, в процессе плазменной диффузии через апертуру 3, поступают из катодной полости в полость промежуточного электрода 4, рис. 1. Образуют в ней плазму, которая, контрагируясь электрическим полем в конусном сужении промежуточного электрода, создает в отверстии промежуточного электрода двойной электрический слой. Ускоренный электрическим полем этого слоя поток плазменных электронов из полости промежуточного электрода 4 попадает в область между промежуточным электродом 4 и анодом 9 (Габович М.Д. Плазменные источники ионов. Киев.: Наукова думка, 1964). Образованное магнитами 5 мультипольное магнитное поле 6, параметры которого аналогичны параметрам магнитного поля рис. 2, способствует уменьшению диффузии заряженных частиц из плазмы на боковые стенки промежуточного электрода.
Поток электронов, экстрагированных из плазмы промежуточного электрода 4, ускоряясь электрическим полем между анодом и промежуточным электродом вдоль центральной продольной оси источника, ионизирует газ в створе между апертурой промежуточного электрода 4 и отверстием эмиссии 10 анода 9, в пространстве, которое, практически, свободно от магнитного поля, рис. 2. Таким образом, в области отверстия эмиссии 10 формируется плазма, в которой подавлен основной фактор, приводящий к раскачке плазменных колебаний и росту ее температуры. Наличие магнитного давления, обусловленного ростом градиента напряженности магнитного поля по мере удаления от центральной продольной оси источника, препятствует уходу из области ионизации электронов в радиальных направлениях, что способствует увеличению плотности ионной составляющей плазмы в области экстракции заряженных частиц в ионный пучок, осуществляемой через апертуру эмиссии 10, рис. 1, и увеличению тока I ионного пучка на выходе ИИ.
После погасания электрической дуги, подвижная заслонка электромагнитного клапана 11 перекрывает отверстие эмиссии 10 до следующего импульса, уменьшая натекание неионизированного газа из ИИ во внешний объем.
Применение в настоящей полезной модели предложенной конструкции полого безнакального катода, сконструированного в варианте электростатической ловушки с учетом (2)-(4), позволило увеличить эффективность ионизации газа первичными электронами в катодной полости путем уменьшения ухода этих электронов из катодной полости через ее центральную апертуру и магнитные щели на ее боковые стенки. Увеличение эффективности ионизации газа в данной полезной модели, путем повышения эмиссии электронов за счет увеличения плотности плазмы в катоде, позволило понизить рабочее давление газа и уменьшить его поток на выходе ИИ, что способствовало уменьшению величины фазового объема ионного пучка на выходе данного ИИ.
Применение магнитного поля предложенной конфигурации в области между промежуточным электродом и анодом позволило уменьшить температуру плазмы и увеличить ее плотность в зоне отбора ионов в пучок. Эти факторы способствуют росту тока и уменьшению фазового объема в ионном пучке, экстрагируемого из предлагаемого источника ионов.
Реализация перечисленных выше физических эффектов достигается применением предложенных технических решений, что способствует повышению фазовой плотности тока пучка на выходе дуоплазматрона для малых давлений газа и обеспечивает реализацию заявленного технического результата в данной полезной модели.
Предложенный дуоплазматрон для малых давлений рабочего газа отличает простота конструкции, надежность в работе, малое энергопотребление и невысокая себестоимость.