ИМПУЛЬСНЫЙ ИСТОЧНИК ИОНОВ ПЕННИНГА

Предлагаемая полезная модель принадлежит к разделу электрических газоразрядных и вакуумных электронных приборов, а именно к приборам с ионным пучком с использованием отражательного разряда, например ионным источникам Пеннинга, с целью использования их в различного рода прикладных задачах науки и техники, в том числе для генерации нейтронных потоков в технологиях добычи углеводородного и другого сырья, досмотровых системах безопасности, радиационной томографии и терапии, системах элементного анализа вещества и прочего.
Известен серийный ионный источник Пеннинга с холодным катодом, разработанный во ВНИИА [1], состоящий из вакуумной камеры, содержащей противоположно установленные катод и антикатод с отверстием, размещенный между ними положительно смещенный полый цилиндрический анод, соосно расположенный с ней полый цилиндрический постоянный магнит, узел напуска газа. Разряд инициируется фоновыми электронами, движущимися в скрещенных электрическом и магнитном полях. Экстракция ионов происходит через отверстие в антикатоде.
5
-3
Однако, данное устройство обладает рядом недостатков, среди которых можно выделить следующий. Время развития электронной лавины, а вместе с ней и разряда, начальная концентрация в которой соответствует фоновой концентрации электронов (~10 см) в источнике Пеннинга с холодным катодом составляет от 10-20 мкс и выше, в то время как целый ряд важных технологий (особенно это остро стоит в нефтегазовом каротаже) требуют использования импульсов с величинами передних и задних фронтов, не превышающими 1 мкс.
Известен также ионный источник Пеннинга с термокатодом [2], который включает в себя вакуумную камеру, содержащую противоположно поставленные катод, на котором установлен термокатод, и антикатод с отверстием, размещенный между ними положительно смещенный полый цилиндрический анод, соосно расположенный с ней полый цилиндрический постоянный магнит, узел напуска газа. Устройство работает таким образом, что при подаче напряжения на полый цилиндрический анод предельный ток в промежутке между ним и термокатодом становится больше нуля и предварительно нагретый термокатод начинает эмитировать электроны, в результате чего развивается разряд в скрещенных электрическом и магнитном полях, из которого впоследствии экстрагируется часть образовавшихся ионов. Геометрия электродов не обеспечивает большого значения предельного электронного тока, в результате чего электроны теряют ионизационную способность, а время фронта ионного импульса составляет ~3 мкс. Кроме того, доля извлекаемых ионов из источника с подобной геометрией электродов составляет порядка 20%, что может быть улучшено.
Однако, данное устройство не позволяет полноценно использовать некоторые из современных нейтронных технологий, например, С/О каротаж. Его использование требует наличия малой погрешности синхронизации α-детектора, которую можно реализовать при величинах фронта и спада нейтронного импульса не превышающих 1 мкс.
8
Технический результат предлагаемой полезной модели направлен на расширение функциональных возможностей применения импульсного источника ионов Пеннинга в импульсных генераторах нейтронов на его основе путем существенного уменьшения длительности переднего и заднего фронтов импульса ионного тока до величины менее 1 мкс при значениях нейтронного потока импульсного генератора нейтронов не менее 10 нейтр/имп (для реакции D+Т) за счет реализации специальной конфигурации и расположения термокатода, а также профилированного по своей внутренней поверхности полого цилиндрического анода.
a
in1
ac
c
in2
ac
tc
a
in1
in2
c
tc
ac
ac
Этот результат достигается тем, что в известном импульсном источнике ионов Пеннинга, состоящем из блока питания, постоянного магнита и цилиндрической вакуумной камеры, внутри которой размещены полый цилиндрический анод с внешним диаметром D и внутренним диаметром D, геттер, дисковый катод, дисковый антикатод с отверстием в центре диаметром d и термокатод внешним диаметром d, установленный на дисковом катоде, внутренняя поверхность полого цилиндрического анода имеет форму усеченного конуса с углом наклона образующей α и малым внутренним диаметром D, расположенным со стороны катода, при этом термокатод находится на расстоянии l от полого цилиндрического анода и имеет кольцевую форму с внутренним диаметром d и выполнены так, что параметры α, D, D, D, d, d, l, d определяются следующими соотношениями, выявленными в результате численных расчетов:
Неравенства (1) регулируют максимальный и минимальный угол наклона образующей внутренней поверхности полого цилиндрического анода, имеющей форму усеченного конуса, при котором достигается наибольший выход ионного тока. Нижний предел является условием, обеспечивающим извлечение положительных ионов из большей части области ионизации. Верхний предел является условием, обеспечивающим необходимое для быстрой ионизации значение потенциала, ускоряющего замагниченные электроны. Данный диапазон значений угла наклона образующей α был получен посредством численного моделирования процесса инициации разряда в импульсном источнике ионов Пеннинга.
Неравенства (2) регулируют максимальный и минимальный пределы отношения внутреннего и внешнего диаметра полого цилиндрического анода, при которых достигаются оптимальные размеры области ионизации. Нижний предел является условием, обеспечивающим использование в качестве области ионизации большей части ионного источника. Верхний предел является условием, обеспечивающим достаточное для длительного срока службы источника отдаление изолятора от области ионизации.
Неравенства (3) регулируют максимальный предел отношения малого внутреннего диаметра и внутреннего диаметра полого цилиндрического анода, и минимальный предел отношения малого внутреннего диаметра и внешнего диаметра полого цилиндрического анода, при которых достигаются оптимальные размеры области ионизации. Нижний предел является условием, обеспечивающим использование в качестве области ионизации большей части ионного источника. Верхний предел является условием, обеспечивающим извлечение положительных ионов из большей части области ионизации.
Неравенства (4) регулируют максимальный и минимальный пределы отношения внешнего диаметра термокатода и малого внутреннего диаметра полого цилиндрического анода, при которых достигается наибольшая скорость ионизации. Нижний предел является условием, обеспечивающим необходимое для быстрой ионизации значение потенциала, ускоряющего замагниченные электроны. Верхний предел является условием, обеспечивающим достаточное для быстрой ионизации время существования эмитированного электрона.
Неравенства (5) регулируют максимальный и минимальный пределы отношения внутреннего диаметра термокатода и внешнего диаметра термокатода, при которых достигается наибольшая доля извлекаемых ионов. Нижний предел является условием, обеспечивающим трубчатую конфигурацию электронного потока. Верхний предел является условием, обеспечивающим приемлемую для инжекции электронного потока площадь эмиттера.
Неравенства (6) регулируют максимальный и минимальный пределы отношения расстояния между термокатодом и полым цилиндрическим анодом и малым внутренним диаметром полого цилиндрического анода, при которых достигаются оптимальные условия инжекции электронного потока в область ионизации. Нижний предел является условием, обеспечивающим достаточную электропрочность промежутка катод-анод. Верхний предел является условием, обеспечивающим приемлемую для инжекции электронного потока напряженность электрического поля.
Неравенства (7) регулируют максимальный предел отношения диаметра отверстия в антикатоде и внутреннего диаметра полого цилиндрического анода и минимальный предел отношения диаметра отверстия в антикатоде и малого внутреннего диаметра полого цилиндрического анода, при которых достигаются оптимальные условия извлечения ионного пучка. Нижний предел является условием, обеспечивающим прохождение ионного потока через отверстие в антикатоде. Верхний предел является условием, обеспечивающим формирование ионного пучка за пределами отверстия в антикатоде.
a
in1
c
Предлагаемое устройство поясняется Фиг. 1, на которой представлен конкретный пример его исполнения и схема расположения элементов импульсного источника Пеннинга, содержащая следующие позиции: 1 - полый цилиндрический постоянный магнит, с одной стороны полости которого располагается дисковый катод 2, по центру расположен профилированный по своей внутренней поверхности полый цилиндрический анод 3, а с другой стороны - дисковый антикатод 4, объединенные вакуумной камерой 5, куда подводятся электрические вводы от блока питания 6, которые через диэлектрические изолирующие вставки 7 питают полый цилиндрический анод 3, термокатод 8 и геттер 9 установленные на дисковом катоде 2, в противоположной части вакуумной камеры 5 располагается извлекающий электрод 10. Характерный размер предлагаемого устройства описывается следующим набором диаметров D=16 мм, D=11 мм, d=6 мм.
-6
Устройство работает следующим образом. Рабочий объем вакуумной камеры 5 откачивается до давлений не хуже 10 Торр, с помощью геттера 9 в вакуумную камеру поступает рабочий газ до достижения требуемого давления. Катод 2, антикатод 4, стенки вакуумной камеры 5 заземлены. На полый цилиндрический анод 3 подается напряжение амплитудой 2-3 кВ от источника 6. Термокатод 8 генерирует электронный поток в ионизационное пространство внутри полого цилиндрического анода 3, внутренняя форма которого в виде усеченного конуса с углом между образующей и осью источника α, вместе с термокатодом 8 кольцевой формы обеспечивают высокое значение предельного электронного тока. Близко расположенный к термокатоду 8 полый цилиндрический анод 3 обеспечивает достаточную для ионизации рабочего газа энергию электронов, которая уменьшается пространственным зарядом электронов. Такое расположение увеличивает величину потерь электронов на полом цилиндрическом аноде, что ускоряет установление стационарного состояния разряда. Магнитное поле постоянного магнита 1 формирует продольные спиралевидные траектории электронов, которые осциллируют в промежутке между катодом 2 и антикатодом 4. Извлечение ионов изотопов водорода из образующейся плазмы разряда происходит с помощью извлекающего электрода 10, находящегося под отрицательным относительно антикатода 4 потенциалом, величиной порядка -40 кВ. Эффективный объем ионного источника, из которого происходит извлечение ионов, определяется распределением потенциала внутри источника. Придание внутренней поверхности полого цилиндрического анода 3 формы усеченного конуса с углом между образующей и осью источника α и с малым внутреннем диаметром напротив катода 2 смещает максимум электрического потенциала в направлении от экстрагирующего отверстия в антикатоде 4, чем увеличивает эффективный объем, а вместе с ним и величину извлекаемого ионного тока. Кольцевая форма термокатода 8 вместе с магнитным полем постоянного магнита 1 придает плазме внутри источника трубчатую форму, что сохраняет определяемое формой полого цилиндрического анода 3 распределение потенциала в течение начала импульса. Угол наклона образующей 15°<α<30° создает оптимальные условия для увеличения эффективного объема источника и обеспечения близкого расположения электронного потока с полным цилиндрическим анодом 3, не допуская при этом затухания разряда, что обеспечивает 4-х кратное уменьшение времени нарастания величины ионного тока в импульсе (относительно случая плоского полого цилиндрического анода), при сохранении его амплитуды.
Уменьшение длительности заднего фронта импульса ионного тока достигается подачей на полый цилиндрический анод запирающего ионы импульса отрицательного напряжения, которая осуществляется после завершения основного импульса. Для источника ионов Пеннинга с термокатодом амплитуда этих модулирующих импульсов составляет десятки или сотни вольт, что позволяет эффективно осуществить уменьшение длительности заднего фронта импульса ионного тока с величин порядка нескольких микросекунд и вплоть до 0.5 мкс.
Таким образом, предложенная полезная модель позволяет расширить функциональные возможности применения импульсного источника ионов Пеннинга в импульсных генераторах нейтронов на его основе за счет сокращения длительности переднего и, одновременно, заднего фронтов ионных импульсов при сохранении величины ионного тока, что позволят применять предлагаемый источник ионов в генераторах нейтронов со специальной формой импульса для различных технологий нейтронного облучения, особенно в каротажных технологиях разведки и добычи углеводородного и другого сырья.
Источники информации:
1. Боголюбов Е.П., Сыромуков С.В. Газообразный источник ионов. Патент РФ на полезную модель №76164 от 09.10.2008 г.
2. Luke Perkins. Ion Source Using Heated Cathode and Electromagnetic Confinement. United States Patent Application Publication № US 2014/0183376 A1.