ИОННЫЙ ИСТОЧНИК ВОДОРОДНЫХ ИОНОВ В РЕЖИМЕ ПОСТОЯННОГО ТОКА С АВТОМАТИЧЕСКИМ ПЕРЕМЕЩЕНИЕМ КАТОДНОЙ СТРУНЫ
ION SOURCE OF HYDROGEN IONS IN DC MODE WITH AUTOMATIC CATHODE STRING SHIFT

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано на ускорителях прямого действия, например, таких как электростатический ускоритель типа Ван-де-Грааф, для решения задач металловедения. Сущность изобретения заключается в разработке ионного источника, подходящего для получения четырехзарядных ионов железа в режиме постоянного тока, оснащенного автоматической системой точного перемещения катодной струны.
Ближайшим аналогом изобретения является источник водородных ионов в режиме постоянного тока с осцилляцией электронов и холодным катодом в виде подвижной струны (патент РФ №2686668, опубл. 30.04.2019 г.). Предложенное в прототипе устройство конструктивно представляет собой источник водородных ионов в режиме постоянного тока с осцилляцией электронов и с холодными катодом и антикатодом, состоящий из соленоидальной катушки, надетой на немагнитную вакуумную камеру, внутри которой помещены катодный магнитный полюс с центральным углублением, катод выполнен в виде плоского диска с центральным углублением в виде стакана, примыкающий к катодному магнитному полюсу, анод в виде пустотелого цилиндра с центральной кольцевой перемычкой внутри, керамический анодный изолятор и антикатод в виде диска, по оси которого выполнено углубление с отверстием эмиссии в центре, своей выступающей частью вставленный в отверстие антикатодного магнитного полюса. При этом в центре катода размещена струна из тугоплавкого металла диаметром 1 мм и обеспечен автоматический ввод катодной струны, анодный изолятор выполнен в виде втулки, анод выполнен в виде многослойного тонкостенного цилиндра из немагнитной фольги с кольцевой диафрагмой в середине. Также между анодом и изолятором введено механически мягкое немагнитное кольцо с высоким тепловым сопротивлением.
В режиме постоянного тока происходит укорочение катодной струны из-за интенсивного распыления эмиссионного торца струны. Для компенсации этого укорочения струны в прототипе имеется механизм автоматического ввода струны в разрядную камеру ионного источника, однако описание конструктивного выполнения данной опции не представлено. Следует отметить, что в прототипе механизм предназначен только для компенсации укорочения катодной струны, что не позволяет оптимизировать работу источника, а именно, скорость ввода струны без возможности ее обратного хода, что является недостатком.
Техническая проблема состоит в том, чтобы устранить указанный недостаток.
Техническая задача состоит в оптимизации работы источника для повышения его эффективности.
Краткое раскрытие сущности изобретения
Для решения поставленной задачи были произведены следующие новации:
1) разработана уникальная конструкция привода перемещения катодной струны с использованием шагового электродвигателя с широкой регулировкой шага и изменением направления вращения;
2) разработана уникальная конструкция вакуумного подшипника скольжения для обеспечения непрерывного плавного ввода катодной струны из атмосферы в вакуум;
3) разработаны технические условия непрерывной работы ионного источника, которые обеспечивают работу предложенного ионного источника в течение не менее 1000 часов (работа источника циклична, за 1000 часов число циклов составляет меньше 10);
4) для получения технологической дозы при работе со слаботочной высокозарядной компонентой пучка используется увеличение времени непрерывной работы ионного источника. В случаи нарушения стабильности работы в систему управления шаговым электродвигателем через оптиковолоконный канал введен корректирующий сигнал, возвращающий работу ионного источника в границы рабочего режима.
В результате была решена поставленная задача и предложена усовершенствованная конструкция источника водородных ионов с осцилляцией электронов в режиме постоянного тока с холодными катодом и антикатодом.
Предложенный источник включает так же, как и источник, раскрытый в ближайшем аналоге:
- соленоидальную катушку, надетую на немагнитную вакуумную камеру, внутри которой помещены катодный магнитный полюс с центральным углублением,
- катод, который выполнен в виде плоского диска с центральным углублением в виде стакана, примыкающий к катодному магнитному полюсу,
- антикатод - в виде диска, по оси которого выполнено углубление с отверстием эмиссии в центре, своей выступающей частью, вставленный в отверстие антикатодного магнитного полюса,
при этом в центре катода введена подвижная струна из тугоплавкого металла диаметром 1 мм, анодный изолятор выполнен в виде втулки, а анод выполнен в виде многослойного тонкостенного цилиндра из немагнитной фольги с кольцевой диафрагмой посередине, при этом между анодом и изолятором введено механически мягкое немагнитное кольцо с высоким тепловым сопротивлением.
Однако, в отличие от ближайшего аналога, конструкция предложенного в настоящем изобретении источника дополнена регулируемым механизмом, позволяющим перемещать катодную струну в прямом и обратном направлении с целью оптимизации работы ионного источника. При этом регулируемый механизм состоит из шагового электродвигателя с редуктором, который через зубчатое колесо редуктора обеспечивает вращение винта перемещения вместе с катодной струной, проложенной через осевое отверстие в винте перемещения и закрепленной в нем, где ось зубчатого колеса и винт перемещения выполнены в виде единого блока. Кроме этого, в корпусе ионного источника вакуумно-плотный подшипник скольжения уплотнен резиновой втулкой через фланец втулки с резьбой, сжимаемой под действием пресс-винтов вакуумной системы, где сжимающее усилие на указанную резиновую втулку передается от пресс-винтов через фланец втулки с резьбой. При вращении винта перемещения в резьбе втулки осуществляется поступательное перемещение вращающейся катодной струны.
На рис. 1 представлена схема предложенного источника, в котором регулируемый механизм состоит из шагового электродвигателя (1) с редуктором, который через зубчатое колесо (5) редуктора обеспечивает вращение винта перемещения (6) вместе с катодной струной (11), проложенной через осевое отверстие в винте перемещения (6) и закрепленной в нем, где ось зубчатого колеса (5) и винт перемещения (6) выполнены в виде единого блока. В корпусе ионного источника (7) вакуумно-плотный подшипник скольжения, который может быть выполнен из тефлона, уплотняется резиновой втулкой (10) через фланец втулки с резьбой (7) пресс-винтами вакуумной системы (8). При вращении винта перемещения (6) в резьбе (7) втулки осуществляется поступательное перемещение вращающейся катодной струны (11).
Предложенный источник работает при напряжении на разряде 300 Вольт. Это значит, что при наличии распыляемых катода и антикатода, в разряде с высокой вероятностью должны возникать многозарядные ионы из материалов катода и антикатода.
19
Технический результат настоящего изобретения состоит в получении технологической дозы 10 нуклонов за предельно короткое время (около 25 часов), с возможностью получения четырехзарядных ионов железа.
Краткое описание чертежей
Рис. 1 Схема реконструированного источника водородных ионов в режиме постоянного тока с осцилляцией электронов и холодным катодом в виде подвижной струны, где:
1. шаговый электродвигатель;
2. червяк редуктора;
3. подшипник скольжения электродвигателя;
4. соединительные винты между механизмом перемещения (12) и катодной струной (11);
5. зубчатое колесо редуктора;
6. винт перемещения катодной струны (11);
7. втулка с резьбой винта перемещения (6) и винтом-пресс вакуумной системы (8);
8. винт - пресс вакуумной системы;
9. подшипник скольжения тефлоновый;
10. резиновая втулка;
11. катодная струна;
12. корпус механизма перемещения катодной струны (11);
13. катодный магнитный полюс;
14. катод;
15. магнитная катушка;
16. керамический изолятор;
17. корпус ионного источника;
18. демпфирующее кольцо;
19. анод;
20. антикатод;
21. магнитный полюс антикатода;
22. расширительная чаша;
23. система охлаждения.
Подробное раскрытие сущности изобретения
Предложена усовершенствованная конструкция (см. рис. 1) источника с осцилляцией электронов в режиме постоянного тока водородных ионов с холодными катодом (14) и антикатодом (20), в центр катода введена подвижная струна (11) из тугоплавкого металла, как и в источнике, раскрытом в ближайшем аналоге. Конструкция предложенного в настоящем изобретении источника дополнена регулируемым механизмом, позволяющим перемещать катодную струну (11) в прямом и обратном направлении с целью оптимизации работы ионного источника. При этом регулируемый механизм состоит из шагового электродвигателя (1) с редуктором, который через зубчатое колесо (5) редуктора обеспечивает вращение винта перемещения (6) вместе с катодной струной (11), проложенной через осевое отверстие в винте перемещения (6) и закрепленной в нем, где ось зубчатого колеса (5) и винт перемещения (6) выполнены в виде единого блока. Кроме этого, корпус ионного источника (17) с вакуумно-плотным подшипником скольжения (9) уплотнен резиновой втулкой (10) через фланец втулки с резьбой (7) пресс-винтами вакуумной системы (8). При вращении винта перемещения (6) в резьбе втулки (7) осуществляется поступательное перемещение вращающейся катодной струны (11).
На рисунке 1 представлена схема реконструированного источника водородных ионов в режиме постоянного тока с осцилляцией электронов и холодным катодом в виде подвижной струны, в которой механизм перемещения струны является главным аспектом предложенного изобретения.
Работа механизма перемещения катодной струны осуществляется следующим образом.
Функционально механизм перемещения, показанный на рис. 1, состоит из 5 элементов:
I. шаговый двигатель (1), управление которым осуществляется через штатный драйвер;
II. червячный редуктор, при этом червяк редуктора (2) соосен с осью электродвигателя (1), а зубчатое колесо редуктора (5) соосно с катодной струной (11);
III. винт перемещения (6) катодной струны (11);
IV. втулка с резьбой (7) вакуумной системы;
V. вакуумное уплотнение состоит из резиновой втулки (10) и тефлонового скользящего подшипника (9) в виде втулки.
Работа механизма перемещения циклична. Время одного цикла определяется длиной резьбы винта перемещения (6). Один поворот винта перемещения с ходом резьбы 1 мм соответствует 1 часу работы источника с распылением катодной иглы на 1 мм. Если длина винта составляет 100 мм, то один цикл работы источника соответствует 100 часам, что достигается медленным вводом катодной струны. Быстрый возврат винта перемещения в его первоначальное положение занимает до 5 минут. При увеличении длительности работы ионного источника соответственно увеличивается и число циклов. Непрерывность работы ионного источника при этом не нарушается.
Описание работы одного цикла перемещения механизма катодной струны (11) и очередность операций:
I. включается шаговый электродвигатель (1);
II. винт перемещения (6) медленно переходит из начального положения в конечное до остановки электродвигателя (1);
III. соединительными винтами (4) катодная струна (11) отсоединяется от механизма перемещения;
IV. включается электродвигатель (1) для быстрого возврата винта перемещения (6) в его первоначальное положение с последующим отключением электродвигателя (1);
V. винтами (4) восстанавливается соединение катодной струны (11) с механизмом перемещения;
VI. управление шаговым двигателем (1) автоматически переключается на режим малой скорости ввода катодной струны (11).
Все циклы перемещения осуществляются без отключения работы ионного источника, так как время перехода между циклами составляет всего несколько минут, и остановка системы перемещения на этот короткий период времени не влияет на режим работы ионного источника.
Пример осуществления изобретения
На экспериментальном стенде осуществлена проверка предложенного источника водородных ионов в режиме постоянного тока с холодным катодом в виде вольфрамовой струны диаметром 1 мм с новым автоматическим механизмом точного перемещения катодной струны.
-3
4
-3-4
-7
+4
-7
19
12
19
12
Внедрение в прототипе механизма автоматической компенсации укорочения катодной струны с системой коррекции для ликвидации нарушения стабильной работы ионного источника при непрерывной работе в течении 1000 часов позволяет планировать длительную работу по использованию мало интенсивных высокозарядных составляющих пучка. В прототипе ионный ток водородных ионов составлял 5*10 А. При напряжении на разрядной камере ионного источника 300 вольт и токе разряда 0,5 А в канале разряда должны возникать ионы железа из материала распыляемых катода и антикатода, изготовленных из нержавеющей стали. В ионном пучке ионный ток четырехзарядных ионов железа составляет только 10  от общего тока пучка, т.е. I=5*10=5*10 А, при этом количество нуклонов в секунду для компонента четырехзарядного железа (Fe55) составляет N=5*10*55/4*1,6*10=110*10нуклонов, при этом время набора технологической дозы 10 нуклонов составляет Т=1019/110*10=90900 сек. (~25 ч.)
Механизм перемещения катодной струны был опробован на вакуумном стенде при протяженных перемещениях, заметных изменений в показаниях измерителя вакуума не наблюдалось.
19
Приведенные экспериментальные данные подтверждают достижение технического результата - получение технологической дозы 10 нуклонов за предельно короткое время (около 25 часов) с возможностью получения четырехзарядных ионов железа. Приведенная оценка показывает важность обеспечения длительной стабильной непрерывной работы ионного источника, которая определяется только введением элемента коррекции без нарушения рабочего цикла для получения технологической дозы ценных высоко зарядных ионов.
Таким образом, конструкция предложенного источника обеспечивает технические условия работы, которые необходимы для решения широкого спектра задач в металловедении.