ПЛАЗМЕННЫЙ ЭКСПАНДЕР ИЗМЕНЯЕМОГО ОБЪЁМА
PLASMA EXPANDER OF VARIABLE VOLUME

Область техники
Изобретение относится к ускорительной технике, а именно к устройствам, в которых формируется плазма для получения электронных или ионных пучков. Плазменный экспандер изменяемого объема предназначен для использования с плазменными генераторами для извлечения ионов или электронов.
Уровень техники
Известен широкоапертурный плазменный эмиттер (экспандер) [патентный документ RU 2096857 С1, опубликован 20.11.1997]. Широкоапертурный эмиттер, схема устройства которого представлена на  фиг. 1, выполнен в едином узле электродных систем вспомогательного кольцевого и основного объемного разрядов и содержит общий анод и катоды, плоские катоды, один из которых сетчатый, и магнитную систему. При этом общий анод выполнен в форме цилиндрического тороида, в полость которого со стороны внешнего цилиндра на половину длины заглублены стержневые катоды. Внутренний цилиндр тороида снабжен кольцевой прорезью и образует с торцовыми плоскими катодами полость, а на периферии внешнего цилиндра стержневые катоды перемкнуты магнитами с целью образования магнитной цепи с продольным магнитным полем в полости тороида. Плазменный эмиттер содержит в своей конструкции плазменный генератор, где рабочим веществом для формирования плазмы служит газ. Исходя из этого описанное устройство предназначено только для формирования пучков ионов газа.
Известен экспандер [патентный документ RU 1676433, дата публикации 15.07.1994] для расширения плазмы, проникающей из ионного источника в вакуум, схема устройства которого представлена на  фиг. 2. Плазменный экспандер содержит камеру, диафрагму, размещенную со стороны входа плазмы, и, по крайней мере, два изолированных электрода в виде сеток, расположенных перпендикулярно оси симметрии камеры. С целью улучшения однородности и стабильности эмиссионной поверхности экспандера, каждый электрод соединен с корпусом камеры через сопротивления Ri, где i - порядковый номер электрода со стороны диафрагмы, при этом каждый электрод соединен с близлежащими электродами через последовательно подключенные сопротивления Yi и емкости Ci. Экспандер выполнен в виде полости в анодном фланце, которая имеет входное и выходное отверстия. Для улучшения однородности плазмы стенки полости выполнены из керамики. Недостатком данного экспандера является то, что быстрые плазменные электроны заряжают керамические стенки полости неравномерно, что приводит к нестабильности плазмы. Кроме того, в процессе работы имеет место напыление металлизированной пленки на керамическую стенку, обусловленное распылением материала входной диафрагмы, в результате чего происходит быстрая деградация материала стенок с потерей изоляционных свойств.
Известно устройство для динамического ускорения плазмы [патентный документ SU 1101164 А, дата публикации 07.09.1986], схема устройства представлена на фиг. 3, которое состоит из источника энергии, системы напуска газа и двух коаксиальных профилированных электродов. С помощью системы напуска газа (4) в межэлектродный зазор ускорителя, помещенного в вакуумную камеру (5), напускается рабочий газ. С помощью коммутирующего устройства (6) подается напряжение от источника энергии (1) на ускоряющие электроды (2), происходит пробой межэлектродного промежутка и образуется токовая перемычка, которая начинает ускоряться силами магнитного давления. Исходя из того что устройство содержит в своей конструкции генератор плазмы, для работы которого требуется напуск газа, то можно сделать вывод о том, что данное устройство предназначено только для формирования пучков ионов газа.
Общим недостатком указанных выше аналогов настоящего изобретения является отсутствие возможности оперативно изменить объем экспандера, тем самым влияя на плотность плазмы в нем во время настройки системы формирования пучка.
Наиболее близким аналогом, который выбран за прототип, является плазменный экспандер [патентный документ RU 2454046 С1, дата публикации 13.01.2011]. Известное устройство, схема которого представлена на фиг. 4, содержит полый катод 1, цилиндрический анод 2, магнит 3, плоский катод 4 с отверстием связи, формирователь (экспандер) 5, перераспределяющий элемент 6, эмиссионный электрод 7 (металлическая сетка). При подаче напряжения от блока питания 8 на электроды разрядной камеры между катодами 1, 4 и цилиндрическим анодом 2 зажигается отражательный разряд. Через отверстие связи диаметром dk около 4 мм плазма отражательного разряда проникает в формирователь 5.
Прототип, как и предложенное изобретение, имеет цилиндрическую форму, изготовлен из проводящих материалов, плазма попадает в них через отверстие в аноде, с другой стороны происходит частичное ограничение плазмы.
Прототип предназначен для генерирования электронных пучков из плазмообразующих источников газового типа и имеет ряд недостатков. Так, в предложенном экспандере (резервуаре) плазма ограничивается фронтальной крышкой с отверстием, а в прототипе - сеткой, которая имеет ограниченный ресурс работы и подлежит частой замене.
Экспандер по прототипу изготовлен без возможности конструктивно изменять объем, а следовательно, и плотность плазмы в нем, что является существенным недостатком и устраняется в предложенном изобретении.
Техническая проблема
Извлечение ионов из плазмы осуществляется с помощью электрического поля у поверхности плазмы. Вытягивающее поле образуется между плазменной поверхностью и вытягивающим электродом, а область плазмы ограничивается плазменным резервуаром (экспандером), с потенциалом, отличающимся от вытягивающего электрода. При использовании плазменных источников, угол расходимости и эмиттанс ионного пучка в процессе экстракции наиболее сильно зависят от формы плазменной границы. Форма плазменной границы в свою очередь зависит от электрического поля и параметров плазмы: плотности электронов, ионов и их температур. Зависимость угла расходимости от формы плазменной границы показана на фиг. 5 (А-С).
Известно, что при выгнутой плазменной границе для ее "выравнивания" к форме плоской границы необходимо увеличивать потенциал вытягивающего электрода. Однако увеличение вытягивающего потенциала возможно до конечной величины. При разнице потенциалов, превышающей пробойное значение между экспандером и вытягивающим электродом, произойдет разряд, который не позволит сформировать пучок заряженных частиц. Таким образом, существуют условия, препятствующие достижению плоской плазменной границы.
Предложенное изобретение позволяет управлять плазменной границей с помощью изменения плотности плазмы, что представляет собой задачу настоящего изобретения, тем самым исключив проблему с пробойным напряжением, описанную выше. Изменить форму плазменной границы с выгнутой (фиг. 5А)) на плоскую (фиг. 5В)) возможно, понизив плотность плазмы в экспандере. Изменить вогнутую плазменную границу (фиг. 5С)) на плоскую возможно, увеличив плотность плазмы.
Изменяя плотность плазмы совместно с вытягивающим потенциалом, возможно добиться более точной настройки системы формирования пучков. К примеру, добиться меньшего угла расхождение пучка.
Технический результат предложенного изобретения состоит в значительном облегчении и ускорении настройки системы формирования пучка, а также в повышении точности настройки системы формирования пучка с получением плоскопараллельного пучка заряженных частиц, за счет появления дополнительного варьируемого параметра (в системе формирования пучка) - плотности плазмы в экспандере.
Технический результат достигается за счет создания конструкции экспандера, позволяющей изменять свою длину во время настройки системы формирования пучка в зависимости от формы плазменной границы. Исходя из того что объем плазменного экспандера прямо пропорционален его длине, то изменяя длину экспандера, возможно изменить его объем. Плотность плазмы прямо пропорциональная объему экспандера, а следовательно, его длине.
Изобретение позволяет в ходе настройки системы формирования пучка, помимо изменения потенциала вытягивающего электрода и его положения, изменять плотность плазмы, обеспечивая тем самым более точную настройку с целью получения плоскопараллельного пучка заряженных частиц.
Раскрытие сущности изобретения
Плазменный экспандер изменяемого объема представляет собой изделие цилиндрической формы, изготовленное из стали. Он состоит из основания, вставки (2 на Фиг. 6 А-С) выполненной в виде кольца (А), сильфона (В) или резьбового соединения (С), фронтальной части, крышки с эмиссионным отверстием и оснастки для закрепления деталей. На основание экспандера устанавливается вставка и фронтальная часть экспандера, в которой установлена крышка с эмиссионным отверстием. С помощью специальной оснастки вставки фронтальная часть жестко фиксируется с основанием экспандера. Собранная конструкция устанавливается на анод плазменного генератора фланцем основания. Плазма попадает в экспандер через анодное отверстие.
Конструкция плазменного экспандера изменяемого объема согласно настоящему изобретению приведена на фиг. 6 (А, В, С) и состоит из: 1 - основания экспандера, 2 - вставки в виде кольца (А), сильфона (В) или резьбового соединения (С), 3 - фронтальной части, 4 - крышки с эмиссионным отверстием и 5 - сборочной оснастки.
Между основанием (1) и фронтальной частью (3) устанавливается вставка изменяемой длины (2), выполненная в виде кольца (А), которое выбирается из набора колец с толщиной от 5 до 30 мм с шагом от 1 до 10 мм, сильфона (В) или резьбового соединения (С) в основании и фронтальной части. При этом в зависимости от выбора длины кольца, настройки длины сильфона или резьбового соединения зависит общая длина экспандера. Крышка с эмиссионным отверстием (4) вставляется в фронтальную часть и закрепляется винтами. Сборочная оснастка (5) на посадку надевается на фронтальную часть экспандера (3), в отверстия в оснастке вставляются шпильки, которые с другой стороны вкручиваются в отверстия основания экспандера (1). Шпильки фиксируются в оснастке (5) гайками с обеих сторон.
Поскольку увеличение/уменьшение объема экспандера приводит к уменьшению/увеличению плотности плазмы, то при фиксированной апертуре и системе формирования пучка, общий ток пучка также претерпевает уменьшение/увеличение. Для поддержания требуемого уровня пучка в экспандере существует конструктивная возможность изменять площадь эмиссионного отверстия. Во фронтальную часть экспандера возможно вставить крышку с эмиссионным отверстием требуемой площади.
Способ получения плоскопараллельного пучка заряженных частиц, включает извлечение ионов из плазмы, которое осуществляется с помощью электрического поля у поверхности плазмы, где вытягивающее поле образуется между плазменной поверхностью и вытягивающим электродом, а область плазмы ограничивается плазменным экспандером с потенциалом, отличающимся от вытягивающего электрода. Изменяя потенциал вытягивающего электрода и его расстояние от экспандера, можно влиять на форму плазменной границы, и, следовательно, и на форму пучка заряженных частиц. Для более точной настройки и получения плоскопараллельного пучка заряженных частиц используют предложенный плазменный экспандер, в котором изменяют плотность плазмы за счет управления размерами экспандера.
Для выполнения экспандера с вставкой в виде кольца (фиг. 6А) настройка происходит следующим образом: в случае расходящегося пучка от вогнутой границы плазмы (фиг. 5С)) собирают экспандер с более коротким кольцом (2 на фиг. 6А)), уменьшая длину экспандера и объем соответственно, тем самым увеличивая плотность. При выгнутой границе плазмы (фиг. 5А)) собирают экспандер с более длинным кольцом (2 на фиг. 6А)), увеличивая длину экспандера и его объем соответственно. Плотность плазмы уменьшается для достижения плазменной границы близкой к плоской.
Для исполнения экспандера с вставкой в виде сильфона (фиг. 6В) настройка происходит следующим образом: в случае расходящегося пучка от вогнутой границы плазмы (фиг. 5С)) шпильки на оснастке экспандера (Фиг. 6В) (5)) вкручиваются до тех пор, пока сильфон не подожмется и не станет короче. Длина всего экспандера станет короче, уменьшится объем экспандера, тем самым плотность плазмы повысится. При выгнутой границе плазмы (фиг. 5А)) шпильки на оснастке экспандера (Фиг. 6В) (5)) выкручиваются до тех пор, пока сильфон не отожмется и не станет длиннее. При увеличении длины экспандера, уменьшается плотность плазмы, плазменная граница становится более близкой к плоской.
Для выполнения экспандера с вставкой в виде резьбового соединения (фиг. 6С) настройка происходит следующим образом: в случае расходящегося пучка от вогнутой границы плазмы (фиг. 5С)) фронтальная крышка экспандера (1 на фиг. 6С) вкручивается по резьбе в основание (2 на фиг. 6С)). Длина и объем экспандера, соответственно, уменьшатся, тем самым повысив плотность плазмы. При выгнутой границе плазмы (фиг. 5А) фронтальная часть экспандера выкручивается от фланца основания (2 на фиг. 6С)). Длина экспандера увеличивается и плотность плазмы снижается для достижения плазменной границы близкой к плоской.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 Схема устройства широкоапертурного плазменного эмиттера (экспандера) согласно RU 2096857.
Анод - 1; Катод - 2; Стержни магнитов - 3; апертура кольцевой прорези - 4, дисковый катод - 5; Сеточный катод - 6; Коллектор - 7; Магнит - 10; Напуск газа - 16.
Фиг. 2 Схема устройства экспандера согласно RU 1676433.
Корпус - 1; Входная диафрагма - 2; Выходное отверстие - 3; Электроды в виде сетки- 4; Изолятор - 5; Экстрактор - 6; Сопротивление - 7, 8; Емкость – 9.
Фиг. 3 Схема устройства для динамического ускорения плазмы согласно SU 1101164.
1 и 6 - источники энергии, 2 и 3 - коаксиальные электроды, 4 -  система напуска газа, 5- корпус.
Фиг. 4 Схема устройства плазменного экспандера по прототипу RU 2454046.
1 - Полый катод; 2 - Цилиндрический анод; 3 - Магнит; 4 - Плоский катод с отверстием связи, 5 - формирователь (экспандер); 6 - Перераспределяющий элемент, 7 - Эмиссионный электрод; 8 - Блок питания.
Фиг. 5 (А, В, С) Примеры форм плазменной границы: выгнутая (А), плоская (В) и вогнутая (С).
Фиг. 6 (А, В, С) Конструкция плазменного экспандера изменяемого объема согласно настоящему изобретению. (А) - с вставкой в виде кольца, (В) - с вставкой в виде сильфона и (С) - с вставкой в виде резьбового соединения.
Примеры осуществления
Пример 1
В ходе работы плазменного экспандера по прототипу происходит формирование пучков заряженных частиц с конечным углом расхождения. Для транспортировки расходящихся пучков требуются дополнительные фокусирующие устройства. Пучки, формирующиеся в результате выгнутой или вогнутой плазменной границы (фиг. 5А) и С), соответственно), обладают значительно большим углом расхождения, а также эмиттансом, чем пучки с плоской плазменной границей (фиг. 5В)). В ходе настройки системы формирования пучка можно добиться плоской плазменной границы, меняя положение и потенциал на вытягивающем электроде, с существенными ограничениями:
- минимальное расстояние между вытягивающим электродом и экспандером ограничено электрической прочностью промежутка;
- диапазон напряжений вытягивающего электрода, ограничен электрической прочностью промежутка вытягивающего электрода и экспандера;
- диапазон вытягивающих потенциалов ограничен имеющимися возможностями системы электропитания вытягивающего электрода.
Кроме этого, исходя из того что прототип предназначен исключительно для генерирования электронных пучков из плазмообразующих источников газового типа, он имеет ряд недостатков. В прототипе фронтальная часть экспандера ограничивает плазму сеткой, которая имеет ограниченный ресурс работы и требует регулярной замены при прогорании.
Пример 2
В ходе работы плазменного экспандера согласно предложенному изобретению, наблюдая расходящийся пучок заряженных частиц, можно добиться плоской плазменной границы путем более тонкой и менее трудоемкой настройки, изменяя не только положение и потенциал вытягивающего электрода, но и плотность плазмы за счет управления размерами экспандера. Так, в случае расходящегося пучка от вогнутой границы плазмы (фиг. 5С)) собирают экспандер с кольцом короче на 5 мм (2 на фиг. 6А)). Длину экспандера уменьшают на 5 мм с пропорциональным уменьшением объема, тем самым увеличивая плотность плазмы на 40-50%. При выгнутой границе плазмы (фиг. 5А)) собирают экспандер с кольцом длиннее на 5 мм (2 на фиг. 6А)), увеличивая длину экспандера на 5 мм с пропорциональным увеличением объема. Плотность плазмы снижается на 40-50% для достижения плазменной границы близкой к плоской.
При необходимости используют кольца из набора колец длиной от 5 до 30 мм с шагом от 1 до 10 мм.
Пример 3
В случае расходящегося пучка от вогнутой границы плазмы (фиг. 5С)) шпильки на оснастке экспандера (Фиг. 6В) (5)) вкручивается до тех пор, пока сильфон не подожмется и не станет короче на 5 мм (2 на фиг. 6В)). Длина всего экспандера станет короче на 5 мм и, соответственно, сократится объем экспандера, тем самым плотность плазмы повысится на 40-50%. При выгнутой границе плазмы (фиг. 5А)) шпильки на оснастке экспандера (Фиг. 6В) (5)) откручиваются до тех пор, пока сильфон не отожмется и не станет длиннее на 5 мм. Увеличивая длину экспандера на 5 мм, уменьшается плотность плазмы на 40-50%, при этом плазменная граница становится близкой к плоской.
При необходимости возможно изменить длину сильфона в диапазоне от 1 до 30 мм.
Пример 4
В случае расходящегося пучка от вогнутой границы плазмы (фиг. 5С) фронтальная крышка экспандера (1 на фиг. 6С) вкручивается по резьбе в основание на 5 мм (2 на фиг. 6С). Длина экспандера уменьшится на 5 мм и объем соответственно, тем самым повышая плотность плазмы на 40-50%. При выгнутой границе плазмы (фиг. 5А) фронтальная часть экспандера выкручивается от фланца основания (2 на фиг. 6С)) на 5 мм. Длина экспандера увеличивается на 5 мм, снижая плотность плазмы на 40-50% для достижения плазменной границы близкой к плоской.
При необходимости с помощью резьбового соединения возможно изменить длину экспандера в диапазоне от 1 до 30 мм.
Технический результат достигается за счет предложенной конструкции экспандера, позволяющей изменять свою длину, тем самым изменяя объем резервуара для плазмы, что, в свою очередь, приводит к изменению плотности плазмы в нем и обеспечивает получение плоскопараллельного пучка заряженных частиц. В ходе настройки системы формирования пучка, помимо изменения потенциала вытягивающего электрода и его положения, появляется возможность изменять плотность плазмы (объем экспандера).
Таким образом, предложенное изобретение позволяет ускорить и повысить точность настройки системы формирования пучков, а также достичь меньшего угла расхождения пучка с получением плоскопараллельного пучка заряженных частиц (технический результат).
Литература
[1] RU 2096857 С1, дата публикации 20.11.1997,
[2] RU 1676433, дата публикации 15.07.1994,
[3] SU 1101164 А, дата публикации 07.09.1986,
[4] RU 2454046 С1, дата публикации 20.06.2012.