АНОД ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ИСТОЧНИКА ИОНОВ

Полезная модель относится к области ускорительной техники.
Аналоги. 1. Разработанный для электростатического ускорителя высокочастотный источник ионов небольшой мощности [Романов В.А., Сербинов А.Н. "Приборы и техника экспериментов", 1963 г. №1, стр.27]. Особенностью источника является точная фиксация изолирующей диафрагмы системы вытягивания (вариант системы извлечения с внешними электродами). Диафрагма из пирекса не только изолирует плазму разряда от катода, но и экранирует металлическую поверхность анода, чем снижает рекомбинацию атомарного водорода на ней.
Недостатком этого источника является сложная конструкция системы извлечения и необходимость применения дорогостоящей оптико-механической технологии для изготовления и сборки диафрагмы и ее держателя. Диафрагма изготавливается штамповкой, ее необходимая толщина в области отверстия вытягивания (~0,5 мм) достигается сошлифовыванием вершины конуса заготовки до появления сквозного отверстия. Держатель диафрагмы состоит из четырех деталей: разъемного цилиндра, в верхней части которого имеется конический захват диафрагмы, гайки, компенсирующей пружины и упорного кольца. Срок службы источника не превышает 500 ч.
2. Прототипом заявленной полезной модели является ионный источник [Алмазов А.В., Мынцов Ф.Ф. Высокочастотный ионный источник с автофокусировкой, ПТЭ, 1964, №5, стр.43-45]. В нем дюралюминиевый анод контактирует с плазмой и для уменьшения рекомбинации прикрывается шайбами из пирекса и слюды. Недостаток прототипа состоит в том, что при большом диаметре отверстия шайбы велика рекомбинация плазмы и источник дает плохой ток ионов. А при малом диаметре отверстия шайбы искажается фокусировка. Слабым местом источника является тонкая диафрагма из слюды, которую необходимо периодически заменять новой. А из-за свойства расслаиваться слюда дает высокий процент брака при ее механической обработке.
Полезная модель направлена на повышение эффективности высокочастотного источника ионов и на увеличение срока его службы.
Указанный результат достигается получением на рабочей части анода, которая контактирует с плазмой, изолирующего слоя из оксида алюминия. Этот диэлектрический слой снижает рекомбинацию плазмы на аноде.
Отличительные признаки полезной модели:
- на рабочую поверхность анода электроплазмохимически встроен диэлектрический слой;
- поверхность диэлектрического слоя состоит из оксида алюминия;
- толщина диэлектрического слоя не менее 100 мкм.
В целях уменьшения рекомбинации плазмы на металлическом аноде, предлагается на его рабочей части сформировать диэлектрический оксидный слой. Получаемое методом микродугового оксидирования (МДО) [Суминов И.В., Эпельфельд А.В., Людин В.Б., Крит Б.Л., Борисов А.М. Микродуговое оксидирование (теория, технология, оборудование). - М.: ЭКОМЕТ, 2005. - 368 с.] покрытие не подвергается разрушению под воздействием плазмы и высоких температур, снижает рекомбинацию на аноде, успешно заменяя шайбу из слюды.
Микродуговое покрытие на алюминиевом сплаве имеет поверхностный слой с почти 100% концентрацией оксида алюминия и промежуточный слой на границе покрытие-металл, где происходит постепенный спад концентрации оксида и увеличение концентрации алюминия.
Толщина диэлектрического слоя рекомендуется не менее 100 мкм исходя из срока службы до 10000 часов. Дальнейшее увеличение толщины оксидного слоя увеличивает стоимость обработки.
На фигуре приведена система вытягивания высокочастотного источника ионов. Колба источника 1 изготовлена из молибденового стекла. К основанию колбы приварен металлический фланец из ковара 2, при помощи которого она соединяется через резиновое уплотнение с промежуточным фланцем. Дюралюминиевый анод 3 с диэлектрическим оксидным слоем 4 контактирует с плазмой и для уменьшения рекомбинации прикрывается шайбами из пирекса 5 и 6. Катод 7 находится на основании 8.
Сущность заявленной полезной модели поясняется следующим описанием.
В предлагаемой полезной модели предусматривается отказ от использования диафрагмы из слюды для экранирования металлического анода и замена анода с диафрагмой на анод с полученным на нем диэлектрическим слоем. Покрытие наносят только на верхнюю часть анода, соприкасающуюся с плазмой в колбе, оставляя на границе эмиссионного отверстия в центре анода зазор шириной от 0,5 до 1 мм.
2
k
a
Анод для системы вытягивания ионов изготавливается из алюминиевого сплава Д16. Алюминий является вентильным металлом, для которого хорошо известна технология микродугового оксидирования для получения защитных оксидных слоев. Процесс проводится в постоянно перемешиваемом водном силикатно-щелочном электролите (1,5 г/л NaOH и 9 г/л жидкого стекла). Плотность тока составляет 10 А/дм, соотношение анодного и катодного токов I/I=1, продолжительность обработки - 3,5 часа. Перед оксидированием детали обезжиривают в теплом мыльном растворе и промывают в проточной воде. После обработки анод промывается в проточной воде (0.5-1 час) и сушится не менее 30-40 мин при температуре воздуха не выше 70°С.
2
3
2
3
Микродуговое оксидирование - электроплазмохимический метод. Электроплазмохимические процессы, протекающие в микроразрядах при микродуговом оксидировании, приводят к образованию не только аморфного оксида и γ-АlО, характерных для традиционного анодирования, но и α-АlО (корунда), а также алюмосиликатов.
Оксидный слой, полученный на алюминиевом сплаве, химически инертен, обладает высокой теплостойкостью и износостойкостью, не подвергается разрушению под воздействием плазмы.
Пример осуществления технического решения. Опытный образец ионного источника с описанной системой вытягивания успешно работает на ускорителе ЭГ-8 НИИЯФ МГУ с 2005 года. Изготовленный по описанной технологии анод обеспечивает идеальную фокусировку пучка благодаря металлической границе эмиссионного отверстия при хорошем массовом составе пучка ионов, что говорит о малом коэффициенте рекомбинации в колбе ионного источника. Срок службы источника таким образом может быть увеличен до 10000 ч. Подобная система экстракции может быть использована в источниках ионов других типов.