ИСТОЧНИК ИОНОВ

Полезная модель относится к устройствам для генерации плазмы, конкретно к импульсным источникам ионов для работы в составе вакуумных нейтронных трубок и может быть использована в ускорительной технике, в геофизическом приборостроении, например, в импульсных генераторах нейтронов, предназначенных для исследования скважин методами импульсного нейтронного каротажа.
Известен искровой трехэлектродный аксиально-симметричный источник ионов, содержащий цилиндрический катод, поджигающий электрод, расположенный на продольной оси источника отделенный от катода трубчатым керамическим изолятором, а также дисковый анод с центральным отверстием, размещенный на расстоянии 10 мм от торцевой поверхности катода. Катод выполнен из титана (или циркония) и насыщен дейтерием. Vasiliev А.А., Iosseliani D.D., Kushin V.V. et al., Experimental study of injector based on the spark source with titanium cathode saturated with hydrogen // Problems of atomic science and technology (2004) №1. Serie: Nuclear Physics Investigation (42), p. 83-85.
Известен источник ионов, содержащий катод и анод, насыщенные изотопами водорода, и электрод поджига, отделенный от катода керамическим изолятором. Патент Российской Федерации №2287197, G21G 4/02, 2006 г.
Известен источник ионов вакуумной нейтронной трубки, содержащий катод, анод, поджигающий электрод и постоянный магнит цилиндрической формы. Магнит использован для контроля движения катодных пятен и обеспечения более равномерной эрозии рабочей поверхности катода. Патент Российской Федерации №2316835, G21G 4/02, H05H 3/06, 2008 г.
Известен вакуумно-дуговой источник дейтронов, содержащий соосно расположенные кольцевые катод и анод, насыщенные дейтерием, разделенные кольцевым изолятором, ускоряющие электроды, соединенные с генератором импульсного высокого напряжения, мишень, насыщенную тяжелым изотопом водорода. Источник дейтронов содержит между катодом и анодом кольцевой электрод поджига. Патент Российской Федерации №2467526, МПК: H05H 5/00, 2012 г. Прототип.
Приведенные выше источники ионов дейтерия являются одновременно и источниками ионов, нейтральных атомов и микрокапельной фракции металла электродов - катода и анода. Металлическая компонента продуктов эрозии при выходе из источника ионов попадает в ускоряющий зазор нейтронной трубки. Это приводит к ухудшению электропрочности трубки в целом в силу запыления внутренней поверхности ее диэлектрического корпуса нейтральными атомами и микрокаплями металла. Вызывает дополнительную эрозию мишени трубки ионами металла и/или запыление мишени, что ведет к снижению нейтронного выхода. Повышает нагрузку на импульсные трансформаторы, формирующие ускоряющий импульс, что также негативно сказывается на величине нейтронного выхода.
4
7
Однако, металлическая компонента необходима для формирования на поверхности изолятора слабо проводящего слоя (суммарное сопротивление 10÷10 Ом), насыщенного поглощаемым дейтерием. Этот слой обеспечивает стабильную инициацию основного дугового разряда при вспомогательном разряде, возникающем между поджигающим электродом и катодом при подаче высоковольтного импульса напряжения, аналогично «взрывающейся проволочке». В случае недостаточного запыления поверхности изолятора металлом эрозии подвергается сам изолятор, что, в конечном счете, приводит к прекращению работы всего источника ионов.
Таким образом, длительная стабильная работа источника ионов возможна при установлении динамического равновесия между процессами испарения проводящей пленки при вспомогательном разряде и напыления новой при основном разряде. При этом желательно, чтобы напыление производилось на возможно большую часть рабочей поверхности изолятора. Однако особенности вакуумной дуги - испарение материала электродов в виде «катодных факелов» из катодных (анодных) пятен - приводят к преимущественному напылению в местах «привязки» разряда. Результатом этого может быть либо быстрое обеднение рабочим газом области «привязки», либо «закорачивание» вакуумного зазора между анодом и катодом продуктами эрозии, т.е. прекращению работы источника ионов. Использование магнитных полей для устранения «привязок» малоэффективно для импульсно-периодического режима работы ионного источника с длительностью импульса в микро- и наносекундном диапазонах, характерной для современных импульсных вакуумных нейтронных трубок.
Данная полезная модель устраняет недостатки аналогов и прототипа.
Задачей полезной модели является создание источника с формированием межэлектродного разряда в квазизамкнутом объеме, обеспечивающем сохранение проводящей пленки на поверхности изолятора, предотвращение попадания большей части металлической компоненты плазмы в ускоряющий зазор и на внутреннюю поверхность баллона, улучшение компонентного состава ионного пучка.
Техническим результатом полезной модели является повышение стабильности и ресурса работы ионного источника за счет сохранения проводящей пленки на внутренней поверхности изолятора, разделяющего поджигающий электрод и катод, улучшения компонентного состава ионного пучка при удержании большей части металлической компоненты внутри квазизамкнутого объема источника ионов.
4
7
Технический результат достигается тем, что в источнике ионов, содержащем соосные дисковый катод и дисковый анод, насыщенные изотопами водорода, осесимметричный поджигающий электрод и осесимметричные изоляторы, разделяющие электроды, система электродов и изоляторов выполнена в виде квазизамкнутого объема с выходным отверстием в аноде с площадью не более 10% от суммарной площади анода, поджигающий электрод заглублен в щель между изоляторами, причем на катодный изолятор нанесено покрытие с сопротивлением 10÷10 Ом. Анод выполнен с конусной внутренней поверхностью. Между дисковым анодом и анодным изолятором выполнена кольцевая щель. Анодный изолятор выполнен рельефным. Покрытие катодного изолятора выполнено из кермета.
Сущность полезной модели поясняется на фиг. 1 и 2
На фиг. 1 схематично представлен поперечный разрез источника ионов.
На фиг. 2 представлена в увеличенном размере компоновка электродов, где: 1 - дисковый анод с центральным отверстием; 2 - анодный изолятор; 3 - поджигающий электрод (токоподвод к нему от центральной трубки не показан); 4 - катодный изолятор с керметным покрытием на внутренней образующей, 5 - дисковый катод.
Источник ионов работает следующим образом.
До начала импульса дисковый анод 1 соединен с накопительной емкостью ионного источника и имеет потенциал порядка +2÷4 кВ. Дисковый катод 5 заземлен, а поджигающий электрод 3 соединен с генератором высоковольтных импульсов. При подаче импульса напряжения положительной полярности амплитудой 3÷10 кВ на поджигающий электрод 3 возникает вспомогательный разряд между поджигающим электродом 3 и дисковым катодом 5 по поверхности керметного покрытия катодного изолятора 4, которое частично испаряется в месте пробоя, образуя первичную вспомогательную плазму.
Вспомогательная плазма под действием приложенного изначально электрического поля инициирует импульсный вакуумный дуговой разряд между дисковым анодом 1 и дисковым катодом 5. Длительность импульса, представляющего собой затухающий апериодический разряд накопительной емкости, определяется величиной этой емкости и декрементом затухания. Электродные пятна дуги разряда испускают плазменные потоки, содержащие металлическую компоненту и изотопы водорода, например, дейтерий в виде пара и ионов, т.к. электроды содержат его в окклюдированном состоянии. Дейтерий, расширяясь, частью попадает через центральное отверстие дискового анода 1 в ускоряющий промежуток, а частью вновь поглощается металлической пленкой внутри объема источника ионов. Металлическая компонента практически полностью оседает на внутренней поверхности квазизамкнутого объема источника ионов, покрывая, в том числе и поверхность изоляторов 2 и 4, преимущественно, катодного изолятора 4. В силу малого расстояния между дисковым катодом 5 и дисковым анодом 1 потоки металлической компоненты, многократно отражаясь и рассеиваясь, равномерно покрывают внутреннюю поверхность источника ионов. Для того чтобы напыляемая пленка не закоротила промежутки «катод - анод» и «поджигающий электрод - анод», поджигающий электрод 3 заглублен в щель между изоляторами 2 и 4, а между дисковым анодом 1 и анодным изолятором 2 выполнена кольцевая щель.
Могут быть приняты и дополнительные меры для предотвращения этих процессов. В частности, анодный изолятор 2 может иметь фасонную внутреннюю поверхность - конусную, с дополнительными канавками и т.д.
При этом в процесс десорбции дейтерия вовлекается большая часть рабочей поверхности электродов 2 и 4, устраняется опасность привязки разряда к одной точке. Повышается ресурс и стабильность работы источника ионов. Дополнительным преимуществом источника ионов является многократное уменьшение металлической компоненты эрозии электродов 1 и 5, попадающей в ускоряющий промежуток и оседающей на внутренней поверхности диэлектрического корпуса вакуумной нейтронной трубки. Следствием этого является повышение ресурса трубки в целом.