Ионно-оптическая система источника ионов
ION-OPTICAL ION SOURCE SYSTEM

Изобретение относится к области техники источников ионных пучков высокой интенсивности, а именно к ионно-оптическим системам (ИОС) таких источников ионов, предназначенных для работы в стационарном режиме.
ИОС является конструктивно и технологически наиболее сложной и ответственной системой источника ионов. Обычно, она состоит из нескольких многоапертурных электродов, эмиссионные области которых формируются отверстиями круглой или щелевой формы, причем отверстия в каждом из электродов имеют свой, отличный от других электродов, профиль канала. Получение первичного ионного пучка происходит из отдельных пучков, которые проходят процесс формирования и ускорения в элементарных ячейках ионно-оптической системы. Причем каждая элементарная ячейка образуется из согласованных отверстий на каждом из электродов, а их взаимное расположение определяет качество полученного пучка. Главным критерием работоспособности ИОС является надежность процесса формирования первичного ионного пучка, которая определяется качеством полученного пучка в элементарной ячейке и общей электрической прочностью системы. На надежность системы оказывают существенное влияние деформации электродов, которые возникают в результате нагрева вторичными частицами. Поэтому важным является обеспечение теплового режима работы электродов, при котором деформации минимальны, что для пучков с большими длительностями импульсов предполагает наличие активного охлаждения. Причем, необходимо обеспечить такое движение теплоносителя, при котором будет обеспечен теплообмен нужной интенсивности, который позволит отведение значительных тепловых мощностей, величины которых оцениваются десятками киловатт.
Известна конструкция изоляторного узла сильноточного ионного источника большой мощности (CN206422037). Система состоит из четырех электродов, которые опираются на прямоугольные фланцы. Пара верхних фланцев, как и пара нижних, соединяются между собой винтами через керамические изоляторы, образуя два вакуумноплотных узла. Полученные узлы соединяются между собой при помощи двух фланцев и керамического изолятора, промежуточной диэлектрической вставки, в результате чего получается изоляторный узел, внутренняя полость которого является вакуумноплотной. Для обеспечения межэлектродных зазоров третий и четвертый электроды имеют промежуточные вставки, в которых предусмотрены каналы охлаждения. Все электроды, кроме плазменного, и вставки к ним имеют сложную коробчатую форму. Охлаждение осуществляется за счет теплопередачи от электрода к охлаждаемому элементу (фланец или вставка). Электрическое питание к электродам подводится от фланцев. Эмиссионные области электродов имеют отверстия круглой формы. Подобная конструкция обеспечивает лишь периферийное охлаждение электродов. Наиболее близким к заявленному техническому решению является патент CN106935459. Описанная в нем ИОС имеет конструктивную схему, похожую на представленную в предыдущем изобретении (CN206422037), за исключением двух особенностей - вместо промежуточной вставки используется изолятор и электроды имеют активное охлаждение эмиссионных областей. Подвод воды осуществляется с атмосферной стороны опорных фланцев через каналы в них. Первый электрод, уплотняясь непосредственно к своему фланцу, образует замкнутый контур охлаждения, где охлаждающая жидкость движется через фланец-электрод-фланец. Для электродов 2, 3 и 4 в контур охлаждения входят их вставки, а движение охлаждающей жидкости идет через фланец-вставка-электрод-вставка-фланец. Подобная конструкция позволяет отводить тепло непосредственно из зон нагрева, но не обеспечивает движение теплоносителя, необходимое для интенсивного теплообмена. Для электродов 2, 3 и 4 подвод охлаждающей жидкости осуществляется через каналы во вставках, которые имеют недостаточное сечение для обеспечения нужной скорости течения. Недостаточный отвод тепловой мощности может приводить к термодеформациям электродов, что неизбежно скажется на надежности формирования ионного пучка. Данная конструкция является достаточно сложной.
Вышеперечисленные изобретения имеют следующие недостатки:
оба изобретения имеют большие осевые размеры, в результате чего конструкция содержит большое количество сложных элементов, что подразумевает большие производственные затраты и материалоемкость;
оба изобретения не содержат элементов, которые позволяют регулировать межэлектродные зазоры, что увеличивает требования к точности изготовления элементов и повышает цену ошибки изготовления;
оба изобретения имеют большие габаритные размеры ИОС в сравнении с эмиссионной площадью;
оба изобретения имеют низкую эффективность теплоотвода из-за недостаточности расхода охлаждающей жидкости.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение надежности процессов формирования ионных пучков высокой интенсивности и большой длительности в условиях больших тепловых нагрузок.
В предложенной ионно-оптической системе указанный технический результат достигается за счет усовершенствованной конструкции электродной системы ИОС: все электроды ИОС 2, 3, 4 (фиг. 1) устанавливаются на стойках-изоляторах 5 на опорный фланец 1; на опорных стойках-изоляторах через регулировочные шайбы 6 фиксируются держатели, которые является также коллекторами для подачи и слива охлаждающей жидкости; на держателях смонтированы электроды ИОС, причем каждый электрод разбит на несколько сегментов, уплотняющихся к держателям; подача воды или иной охлаждающей жидкости осуществляется через трубки 7, которые пролегают внутри опорных стоек-изоляторов; на каждом сегменте размещены щелевые отверстия для формирования пучка, в перемычках между щелями расположены каналы охлаждения, которые имеют выход на сборные коллекторы держателя.
Данная конструкция имеет следующие преимущества:
- Монтаж электродов на опорных стойках-изоляторах вместо протяженных керамических изоляторов, длина периметра которых может составлять метры, значительно упрощает и удешевляет конструкцию.
- Монтаж электродов через регулировочные шайбы обеспечивает простую регулировку зазоров ИОС и относительную юстировку сегментов.
- Разбиение каждого электрода ИОС на несколько сегментов резко уменьшает термодеформации, поскольку стрелка прогиба плоскости электродов (самая значительная и опасная деформация) квадратично зависит от поперечных размеров электрода. Таким образом разбиение электрода даже на 3 сегмента снижает прогиб на порядок. Кроме того, ремонт сеток в случае повреждения или брака при изготовлении значительно удешевляется, т.к. достаточно заменить один сегмент.
2
- Размещение подводов воды или иной охлаждающей жидкости внутри опорных стоек-изоляторов снимает ограничение на размер сечения подводов из-за недостатка места. Для того чтобы не допустить снижение расхода жидкости из-за сопротивления подводов необходимо, чтобы сечение подводов было не менее суммарной площади сечения множества каналов охлаждения в электроде ИОС, поэтому требуемое сечение подводов охлаждения может составить значительную величину, до нескольких см. Разместить такие подводы в стойках-изоляторах гораздо проще, чем во фланцах-держателях электродов обычных ИОС. Поэтому данная конструкция обеспечивает высокий расход охлаждающей жидкости и, соответственно, меньший нагрев и термодеформации электродов.
На фиг. 1 представлена ионно-оптическая система источника ионов, содержащая опорный фланец 1 и расположенные на нём плазменный электрод 2, ускоряющий электрод 3 и заземленный электрод 4. Каждый электрод состоит из держателя, который является коллектором для подачи и слива охлаждающей жидкости, и охлаждаемых многоапертурных сеточных сегментов, уплотняющихся к нему и образующих контур охлаждения. Каждый электрод опирается на собственные отдельные стойки-изоляторы 5 через регулировочные шайбы 6, с помощью которых осуществляется точная подгонка межэлектродных зазоров. Подача охлаждающей жидкости к коллекторам осуществляется через трубки 7, которые пролегают внутри стоек-изоляторов. Подобная конструкция позволяет обеспечить сегменты достаточным расходом охлаждающей жидкости для обеспечения эффективного теплоотвода. Разбиение эмиссионной области на сегменты позволяет уменьшить уровень деформаций.
Работа устройства осуществляется следующим образом. Перед плазменным электродом создается плазма (водородная или дейтериевая). К электродам прикладываются напряжения: между плазменным и заземленным +U1, между ускоряющим и заземленным -U2. Электрическое поле этих зазоров вытягивает из плазмы ионный пучок и ускоряет его. Напряжение U1 обычно составляет несколько десятков киловольт, и оно определяет энергию формируемого пучка ионов. Напряжение U2 отрицательное - электрическое поле в зазоре между ускоряющим и заземленным электродом препятствует проникновению в ионно-оптическую систему электронов, которые могут образоваться в области за заземленным электродом.
Геометрия отверстий (щелей), которые формируют элементарные пучки, рассчитана так, чтобы элементарные пучки на выходе формировались с малой угловой расходимостью и не касались электродов. При работе плазменный электрод нагревается за счет попадания на него плазмы, все электроды нагреваются за счет попадания на них незначительной части ионов, перезарядившихся атомов и электронов, выбиваемых с поверхности электродов. Нагрев электродов не должен приводить к их существенной деформации, которая изменит геометрию электродов и расстояний между ними, для чего должен быть обеспечен необходимый теплоотвод. Разбиение сеток на сегменты и способ подвода охлаждающей жидкости, например, воды, через стойки-изоляторы значительно снижают термомеханические деформации и позволяют легко обеспечить большое сечение подводов воды, что также снижает нагрев и, соответственно, термодеформации. Конструкция обеспечивает простую юстировку зазоров и относительного положения сегментов за счет регулировочных шайб опорных изоляторов. Щелевая структура отверстий - апертур в электродах имеет большую прозрачность по сравнению с круглыми отверстиями, что позволяет получать больший ток при одинаковых габаритах ИОС, более интенсивное охлаждение электродов позволяет работать при большей плотности тока пучка, и, соответственно, при большем токе пучка.