ИМПУЛЬСНЫЙ ИСТОЧНИК ВОДОРОДНЫХ ИОНОВ С ОСЦИЛЛЯЦИЕЙ ЭЛЕКТРОНОВ В НЕОДНОРОДНОМ ПРОДОЛЬНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ
PULSE SOURCE OF HYDROGEN IONS WITH ELECTRON OSCILLATION IN A INHOMOGENEOUS LONGITUDINAL MAGNETIC FIELD

Изобретение относится к области ускорительной техники и предназначено для интенсификации работы импульсного источника водородных ионов с осцилляцией электронов в неоднородном продольном магнитном поле. Простая и надежная конструкция этого источника позволяет использовать его на начальном этапе работ по созданию новой элементной базы микроэлектроники «кремний на изоляторе» (КНИ), когда необходимо получить пучок протонов с энергией около 100 кэВ при равномерной плотности протонов на площади диаметром до 200 мм. Кроме того, такой источник может быть применен на инжекторе линейного ускорителя или инжекторе протонного синхротрона при создании медицинского пучка для решения задач онкологии.
Сущность изобретения: использование кольцевого концентратора магнитного поля на антикатоде для ограничения расширения канала разряда с целью интенсификации плотности разряда по оси отверстия ионной эмиссии, а также устранение нарушений работы источника из-за продуктов распыления катода и антикатода путем выполнения торцевых скосов на аноде.
Известна конструкция ионного источника с катодной иглой импульсных ионов водорода (Лапицкий Ю.Я. О плазменной границе ионного источника, ПТЭ, 1970, №2, 37), которая содержит соленоидальную катушку, надетую на немагнитную вакуумную камеру, внутри которой помещены два магнитных полюса с круглым углублением в центре, катод и антикатод с отверстием эмиссии, анод в виде цилиндра с отверстием. В центре катода установлен конус из немагнитного проводника, который обеспечивает стабильное положение канала разряда относительно оси ионного источника.
При интенсификации режима работы источника, работа источника нарушается из-за возникновения каналов проводимости («закороток») анод-катод продуктами распыления катода и антикатода.
Прототипом изобретения является конструкция (Ауслендер В.Л. и др., Источник протонного пучка, ПТЭ, №4, 1979, стр. 33), которая содержит вакуумную камеру, на которую надета соленоидальная катушка. Внутри камеры помещены катодный магнитный полюс с центральным углублением, катод из нержавеющей стали в виде плоского диска с центральным выступом в виде стакана, примыкающий к катодному магнитному полюсу, в центре катода установлено острие из вольфрама, анод в виде пустотелого цилиндра, выполненного из нержавеющей стали, антикатод в виде диска, выполненного из нержавеющей стали, по оси которого выполнено углубление с отверстием эмиссии, в центре своей выступающей частью вставленный в отверстие антикатодного магнитного полюса.
Специфика стабильного разряда в рассматриваемом ионном источнике заключается в том, что за счет осевых углублений в магнитных плюсах катода и антикатода продольное магнитное поле на оси оказывается минимальным, это приводит к дрейфу осциллирующих электронов к оси источника, нагреву острия катодной иглы, появлению термоэлектронов и формированию интенсивного приосевого разряда. На этом источнике получены максимальные рабочие параметры - ионный ток амплитудой 140 мА при частоте импульсов 50 Гц и длительности импульсов 4 мкс. Но увеличить средний ток на этом источнике невозможно из-за интенсификации процесса распыления катода и антикатода и возникающих при этом «закороток» анод-катод, материалом распыленных катода и антикатода. Кроме того, увеличение среднего разрядного тока в источнике приводит к расширению зоны термоэмиссии на антикатоде, нарушению фиксации канала разряда относительно оси отверстия ионной эмиссии и нарушению стабильности ионного тока. Все вышеперечисленное составляет техническую проблему, которую предлагается решить при использовании настоящего изобретения.
Задача предлагаемого изобретения состоит в обеспечении возможности интенсификации плотности разряда по оси отверстия ионной эмиссии в импульсном источнике водородных ионов и устранении возможных «закороток» анод-катод продуктами распыления катода и антикатода.
Техническим результатом изобретения является получение стабильного импульсного пучка ионов водорода при частоте импульсов 5-20 Гц длительности импульсов 20-120 мкс и амплитуде тока ионного пучка 20-170 мА.
Технический результат достигается предложенной конструкцией импульсного источника водородных ионов с осцилляцией электронов в неоднородном продольном магнитном поле, в котором используют кольцевой концентратор продольного магнитного поля на антикатоде для ограничения расширения канала разряда в водороде с целью интенсификации плотности разряда по оси отверстия ионной эмиссии и выполняют торцевые скосы на аноде для устранения возможных «закороток» анод-катод продуктами распыления катода и антикатода.
Краткое описание чертежей:
Рис. 1 Импульсный источник водородных ионов с осцилляцией электронов в неоднородном продольном магнитном поле.
Импульсный источник ионов водорода, поперечное сечение которого изображено на чертеже (рис. 1), состоит из соленоидальной катушки (1), надетой на немагнитную вакуумную камеру (2), внутри которой помещены катодный магнитный полюс (3) с центральным углублением, катод (4) из нержавеющей стали в виде плоского диска с центральным выступом в виде стакана, примыкающий к катодному магнитному полюсу (3), катодный конус из немагнитного проводника (9) в центре катода (4) кольцевой анодный изолятор (5), анод (6) в виде пустотелого цилиндра с кольцевой перемычкой в середине, выполненный из нержавеющей стали, с торцевыми скосами с наружной стороны, антикатод (7) из нержавеющей стали, по оси которого выполнено углубление с отверстием эмиссии в центре, своей выступающей частью вставленный в отверстие антикатодного магнитного полюса (8), отличающийся тем, что на антикатоде (7) выполнен кольцевой концентратор магнитного поля (7'), соосный с анодом (6) и ориентированный по направлению к аноду (6), диаметр концентратора в два раза больше, чем внутренний диаметр катодного магнитного полюса (3).
В показанной на рис. 1 конструкции импульсного источника ионов водорода при поджиге разряда в начальный момент работает только механизм ион-электронной эмиссии. Плотность разряда невелика, а увеличение тока разряда происходит только за счет увеличения диаметра канала разряда. Введение кольцевого концентратора магнитного поля на антикатоде с одной стороны экранирует от поля анода близкие к кольцевому концентратору поверхности антикатода, препятствуя расширению канала разряда, а с другой стороны влияние кольцевого концентратора на усиление изменения радиального распределения аксиального магнитного поля вызывает интенсификацию осевого разряда. Для уменьшения вероятности возникновения «закороток» на аноде выполнены скосы под острым углом с наружной стороны, так как на малой площади торца скоса не может возникнуть «закоротка» большого сечения, а «закоротка» малого сечения самоликвидируется при воздействии импульса рабочего тока.
Предложенное изобретение заключается в создании импульсного источника ионов водорода с холодными катодом и антикатодом, состоящего из соленоидальной катушки, надетой на немагнитную вакуумную камеру, внутри которой помещены катодный магнитный полюс с центральным углублением, катод из нержавеющей стали в виде плоского диска с центральным углублением в виде стакана, примыкающий к катодному магнитному полюсу, катодный конус из немагнитного проводника в центре катода, кольцевой анодный изолятор, анод в виде пустотелого цилиндра с кольцевой перемычкой в середине, выполненный из нержавеющей стали, с торцевыми скосами наружу под острым углом, антикатод в виде диска, выполненный из нержавеющей стали, по оси которого выполнено углубление с отверстием эмиссии в центре, своей выступающей частью вставленный в отверстие антикатодного магнитного полюса, где на антикатоде выполнен кольцевой концентратор магнитного поля, соосный с анодом и расположенный по направлению к аноду, при этом диаметр концентратора в два раза больше, чем внутренний диаметр катодного магнитного полюса (3).
Пример 1.
Экспериментальная проверка работы источника проводилась при частоте импульсов 5-50 Гц, длительности П-образных импульсов 20-120 мкс и амплитуде тока ионного пучка 20-170 мА.
В результате работы ионного источника, в котором на антикатоде выполнен кольцевой магнитный концентратор соосный с анодом и расположенный по направлению к аноду, где диаметр концентратора в два раза больше, чем внутренний диаметр катодного магнитного полюса, а анод выполнен с торцевыми скосами по наружному диаметру был получен стабильный импульсный ток ионов водорода амплитудой 20-170 мА.
Использование заявленного технического решения найдет применение в ускорительной технике для получения стабильного импульсного пучка ионов водорода при частоте импульсов 5-50 Гц, длительности П-образных импульсов 20-120 мкс и амплитуде тока ионного пучка 20-170 мА. При этом исключается нарушение работы ионного источника из-за «закороток» анод-катод продуктами распыления катода и антикатода.