ИОННАЯ ПУШКА С ИЗМЕНЯЕМОЙ СКВАЖНОСТЬЮ ИМПУЛЬСОВ

Полезная модель относится к генераторам ионных пучков, и может использоваться в технологиях, требующих ускоренные ионы. Ионные пушки нашли широкое применение для инжекции ионов в ускорителях заряженных частиц.
Широко известны различные конструкции многосетчатых радиоламп, применяемых в радиотехнике для генерации изменяющихся последовательностей импульсных потоков электронов, экстрагируемых со стационарного эмиттера (катода, форма и положение которого в пространстве жестко фиксированы). Например, тетрод - 4-х электродная радиолампа. Целью введения дополнительных сеток является уменьшение паразитных шумов в радиоканалах, вызванных отражениями и наличием вторичных потоков электронов от электродов радиолампы.
В плазменных источниках эмиттером ионов является плазменная поверхность, положение и форма которой изменяются в пространстве в зависимости от различных факторов, в том числе и от величины напряжения экстракции. Такая зависимость положения и формы поверхности эмиссии влияет на параметры инжектируемого ионной пушкой пучка заряженных частиц.
Известна ионная пушка для инжектора линейного ускорителя И-2, являющегося форинжектором протонного синхротрона ИТЭФ, выполненная на базе источника ионов дуоплазматронного типа (ИИ) с холодным катодом, находящегося под электрическим потенциалом положительной полярности относительно земли и ионно-оптической системы с заземленным вытягивающим электродом (Баталин В.А., Коломиец А.А. и др. Дуоплазматрон с холодным катодом. ПТЭ №2, с. 21-23, 1975).
Недостатки. Большая величина эмиттанса генерируемых ионных пучков из-за углового разброса ионов вызванного нестабильностью положения границы плазмы и ее формы, возникающих при генерации ионных пучков с различной частотой следования. Невозможность формирования ионных пучков с длительностью меньшей времени горения электрического разряда в ИИ.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является ионная пушка, состоящая из: электрически соединенного с высоковольтным источником электропитания источника ионов дуоплазматронного типа с соосно расположенными, полым, безнакальным катодом, электрически соединенным с блоком электропитания, промежуточным электродом, электрически соединенным с блоком электропитания, анодом с отверстием эмиссии, электрически соединенным с корпусом данного дуоплазматрона, экспандером, установленным на аноде и ионно-оптической системы с заземленным вытягивающим электродом и фокусирующим электродом, электрически соединенным с блоком электропитания (Баталин В.А., Кондратьев Б.К. и др. Характеристики газового разряда в катодной камере источника протонов линейного ускорителя И-2. М. Препринт ИТЭФ, №51, 1981).
Техническая проблема. Большой фазовый объем ионных пучков при генерации импульсов с различной частотой следования, вызванный нестабильностью положения границы и формы плазменной поверхности, эмитирующей ионы. Невозможность формирования ионных пучков с длительностью меньшей времени горения электрического разряда в источнике ионов.
Техническим результатом данной полезной модели является уменьшение величины фазового объема заряженных частиц на выходе ионной пушки при генерации различных по длительности импульсов ионных пучков с изменяющейся частотой следования.
Сущность примененного в предлагаемой полезной модели отличительного физического свойства, обеспечивающего достижение заявленного технического результата, заключается в стабилизации положения границы плазмы в течение всего времени отбора ионов с ее поверхности, вне зависимости от характера формируемых импульсных пучков заряженных частиц. Данный эффект достигается квазинепрерывной экстракцией ионов с плазменной поверхности одним из электродов ИОС с последующей их модуляцией в требуемом режиме другим электродом ИОС в течение всего периода горения электрического разряда в ИИ. Предложенный вариант отбора заряженных частиц не приводит к осцилляции плазмы в экспандере как в процессе формирования ионного пучка, так и в период между импульсами экстракции ионов. Данный способ экстракции заряженных частиц препятствует возникновению плазменных колебаний, изменяющих форму и положение плазменной поверхности относительно вытягивающего электрода в момент формирования ионных пучков. Как в режиме генерации отдельных импульсных ионных пучков, так и при генерации серий импульсных пучков ионов с различными частотами следования и длительностью. Предложенный вариант отбора заряженных частиц позволяет генерировать ионные пучки с длительностью много меньшей времени горения электрической дуги в ИИ.
Заявленный технический результат обеспечивается предложенной оригинальной конструкцией ионной пушки с изменяемой скважностью импульсов, состоящей из: электрически изолированного от земли и соединенного с высоковольтным источником электропитания источника ионов дуоплазматронного типа с соосно расположенными катодом, электрически соединенным с блоком электропитания, установленным на корпусе данного источника ионов, промежуточным электродом, электрически соединенным с блоком электропитания, установленным на корпусе данного источника ионов, анодом с отверстием эмиссии, электрически соединенным с корпусом данного источника ионов, экспандером, установленным на аноде, ионно-оптической системы с вытягивающим электродом, электрически соединенным с землей, фокусирующим электродом, электрически соединенным с блоком электропитания, модулирующим электродом, установленным между вытягивающим и фокусирующим электродами и электрически соединенным с блоком электропитания, установленным на корпусе источника ионов дуоплазматронного типа и блоком коммутации модулирующего электрода на землю.
В предлагаемой полезной модели многосеточная система формирования потоков заряженных частиц используется не для уменьшения антидинатронных эффектов, как в радиолампах с «жестким» эмиттером электронов, а для стабилизации положения и формы нестационарного плазменного эмиттера, в целях улучшения фазовых характеристик ионного пучка на выходе ионной пушки.
p
Известно, что угол расходимости Q ионного пучка на выходе ионно-оптической системы зависит от расстояния между эмиттером ионов и вытягивающим электродом. Для двух или трех электродных ИОС его можно оценить, согласно (J.R. Coupland, T.S. Green, D.R. Hammond e. all. // Rev. Sci. Instrum. V. 44, No 9, 1258-1270, 1973), по формуле
b
где d - диаметр апертуры ИОС, L - расстояние между поверхностью эмиссии и вытягивающим электродом.
Зависимость расстояния между границей плазмы эмитирующей ионы и вытягивающим электродом ИОС от величины электрического потенциала на вытягивающем электроде можно оценить, воспользовавшись уравнением баланса сил на границе плазменной эмиссии (А.Т. Форрестер. Интенсивные ионные пучки. М. Мир, с. 17-24, 1992 г.) по формуле:
0
где:  - плотность ионов в плазме, с поверхности которой производится их экстракция в пучок, k - постоянная Больцмана, Ti - температура ионной составляющей в плазме, ε - диэлектрическая постоянная вакуума, U - величина электрического потенциала на электроде экстракции, L - расстояние между границей плазмы эмитирующей ионы и электродом экстракции в ИОС.
p
Из приведенных выше формул видно, что при изменении величины электрического потенциала U на вытягивающем электроде изменяется расстояние L между границей плазмы и электродом экстракции (2), что приводит к изменению угла расходимости Q ионного пучка на выходе ИОС (1).
При подаче на вытягивающий электрод серии коротких импульсов электрического напряжения с изменяющейся или большой частотой следования, плазма в экспандере и положение ее поверхности, с которой производится отбор ионов в пучок, начинают осциллировать относительно электрода экстракции сообразно этой частоте. В результате, плазма в зоне формирования ионного пучка находится в динамически неустойчивом состоянии относительно электродов ИОС. Подобная неустойчивость способствует раскачке плазменных колебаний, изменяющих форму ее поверхности, с которой производится отбор ионов в пучок. Возникающие при этом мгновенные искажения формы плазменного мениска приводят к ухудшению конгруэнтности (ламинарности) трубок тока в ионном пучке. Перечисленные факторы способствуют росту величины эмиттанса в экстрагируемых ионных пучках.
При генерации одиночных импульсов ионного тока или импульсов с большими временными промежутками, положение и форма плазменной поверхности, как правило, успевают стабилизироваться в период между импульсами. В этом режиме перечисленные выше негативные факторы практически не влияют на качество пучков заряженных частиц на выходе ионной пушки, но при частотно модулированной генерации ионных пучков с изменяющейся или большой частотой следования, перечисленные выше явления будут способствовать увеличению углового расхождения ионных пучков, ухудшению их конгруэнтности, что, в свою очередь, приводит к увеличению эмиттанса пучков на выходе ионной пушки (И.М. Капчинский. Теория линейных резонансных ускорителей. М. Энергоиздат. С. 67-74. 1982 г.).
Краткое описание чертежей.
Рис. Схема, поясняющая в рамках настоящей полезной модели работу ионной пушки с изменяемой скважностью импульсов.
к
Ионная пушка состоит из: источника ионов дуоплазматронного типа 1, корпус которого электрически изолирован от земли и соединен с высоковольтным источником электропитания ВС, полого безнакального катода 2, электрически соединенного с блоком электропитания Б1, который установлен на корпусе источника ионов дуоплазматронного типа, промежуточного электрода 3, электрически соединенного с блоком электропитания Б2, который также установлен на корпусе данного источника ионов, анода 4 с отверстием эмиссии, электрически соединенного с корпусом данного источника ионов, экспандера 5, внутри которого находится плазма, установленного на аноде 4, ионно-оптической системы с заземленным вытягивающим электродом 6, модулирующим электродом 7, электрически соединенным с блоком электропитания Б3, установленным на корпусе источника ионов дуоплазматронного типа и блоком коммутации Б, позволяющим дистанционно коммутировать модулирующий электрод 7 на землю и фокусирующим электродом 8, электрически соединенным с блоком электропитания Бф.
Изменением разности электрических потенциалов между землей и источником ионов дуоплазматронного типа 1, создаваемой при помощи высоковольтного блока электропитания ВС, регулируется энергия ионов на выходе ионной пушки с изменяемой скважностью импульсов. При помощи блока коммутации Бк регулируется длительность и частотный режим экстракции генерируемых ионных пучков. Изменение величины электрического напряжения на выходе Бф приводит к изменению угла огибающих ионных пучков на выходе данной ионной пушки.
В ионной пушке с изменяемой скважностью импульсов положение границы плазмы в течение всего времени отбора ионов с ее поверхности не зависит от режима формирования импульсов пучков заряженных частиц. Это достигается квазинепрерывной экстракцией ионов с плазменной поверхности при помощи отельного электрода ИОС с последующей их модуляцией по времени другим электродом ИОС. Предложенный вариант экстракции заряженных частиц не приводит к осцилляции плазмы в экспандере в период между актами экстракции ионов и возникновению плазменных колебаний, изменяющих форму и положение плазменной поверхности относительно вытягивающего электрода в момент отбора ионов из плазмы и формирования ионных пучков как в режиме генерации отдельных импульсных ионных пучков, так и при генерации серий коротких импульсных пучков ионов с различными частотами следования. Предложенный способ формирования импульсных ионных пучков способствует уменьшению величины фазового объема заряженных частиц на выходе ионной пушки при генерации различных по длительности импульсов ионных пучков с различной частотой следования.
Пример.
к
Ионная пушка с изменяемой скважностью импульсов, конструкция которой показана на рис. работает следующим образом. В исходном состоянии постоянное высоковольтное электрическое напряжение положительной полярности относительно земли подается от блока высоковольтного электропитания ВС на корпус источника ионов дуоплазматронного типа 1. Рабочий газ заполняет камеры данного источника ионов через канал в несущем стержне полого безнакального катода 1. Импульс электрического напряжения отрицательной полярности, относительно корпуса дуоплазматрона 1, поступает от блока электропитания Б1 на безнакальный катод 2. В это же время импульс электрического напряжения отрицательной полярности относительно корпуса 1, но, меньшей амплитуды, поступает от блока электропитания Б2 на промежуточный электрод 3. В результате образовавшейся разности электрических потенциалов между катодом 2, промежуточным электродом 3 и анодом 4, электрически связанным с корпусом источника ионов дуоплазматронного типа 1, в данном источнике ионов зажигается электрический разряд. Поток электронов в этом разряде ионизирует рабочий газ, образуя плазму в ИИ 1. Диффундируя, плазма через отверстие эмиссии в аноде 4 поступает в экспандер 5. Расширяясь, она заполняет внутреннюю полость данного экспандера, образуя поверхность с которой и производится экстракция ионов в пучок. Электрическое поле, экстрагирующее и ускоряющее ионы, возникает в результате разности электрических потенциалов между ИИ 1, величина электрического потенциала на котором регулируется при помощи высоковольтного блока электропитания ВС, и заземленным вытягивающим электродом 6. Если модулирующий электрод 7 заземлен при помощи блока коммутации Б, то, вытягивающий электрод 6 и модулирующий электрод 7 имеют одинаковые электрические потенциалы. В этом случае ИОС становится прозрачной для прохождения пучка ионов. Изменяя величину электрического потенциала на фокусирующем электроде можно регулировать углы наклона огибающих ионных пучков на выходе данной ионной пушки.
При формировании однократных импульсных ионных пучков, длительность которых соответствует времени горения электрического разряда в камерах дуоплазматрона, ионная пушка работает в квазинепрерывном режиме экстракции ионов.
к
Для генерации малых по времени импульсов ионного тока, по сравнению с временем горения электрической дуги в ИИ, или серии импульсов с различными частотами следования в течение времени горения электрического разряда в источнике ионов дуоплазматронного типа, блок коммутации Б разрывает на требуемое время электрическую связь модулирующего электрода 7 с землей и на него поступает сумма электрических напряжений положительной полярности относительно земли. Величина которой определяется амплитудами электрических напряжений, формируемых высоковольтным блоком ВС и блоком электропитания Б3, создающим перепад электрического напряжения положительной полярности относительно корпуса 1 ИП с величиной в несколько сотен вольт. Возникающего, в результате суперпозиции данных электрических напряжений, электрического потенциала на модулирующем электроде 7 достаточно для надежного запирания ионов в промежутке между вытягивающим электродом 6 и модулирующим электродом 7. В результате, квазинепрерывный режим экстракции ионов из плазмы электрическим напряжением вытягивающего электрода 6 остается неизменным, но ИОС становится непрозрачной для прохождения через нее ионного пучка.
к
Регулируя частотный режим коммутации на землю модулирующего электрода 7 при помощи блока коммутации Б, можно формировать на выходе ИП требуемые по времени как одиночные импульсы ионного тока, так и серии импульсов с изменяемой скважностью. Сохраняя неизменными при этом как форму плазменной поверхности экстракции, так и ее положение в экспандере в периоды между импульсами, что позволяет уменьшить величину фазового сдвига и угловой расходимости ионных пучков в процессе экстракции ионов, способствуя уменьшению фазового объема заряженных частиц на выходе данной ионной пушки.
Таким образом, в предлагаемой полезной модели обеспечивается достижение заявленного технического результата.
Фокусировка ионного пучка на выходе в данной полезной модели осуществляется стандартным образом, изменением величины электрического напряжения на фокусирующем электроде 8, создаваемого блоком электропитания Бф.
Ионная пушка с изменяемой скважностью импульсов отличается простотой конструкции, надежностью в работе, малым энергопотреблением и малой себестоимостью.