СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ИМПУЛЬСНОГО ПУЧКА ЛЕГКИХ ИОНОВ
METHOD FOR GENERATING A PULSE BEAM OF LIGHT IONS

Изобретение относится к ускорительной технике и предназначено для генерации импульсных ионных пучков, которые используются для радиационно-пучкового модифицирования изделий с целью улучшения их эксплуатационных характеристик, а также для инициирования ядерных реакций.
,
12
-3
Известен способ генерации импульсного пучка легких ионов диодом с внешней магнитной изоляцией электронов и инжекцией плазмы от внешнего плазменного источника [Bystritsky V.M., Dudkin G.N., Nechaev B.A., Padalko V.N. Pulsed ion Hall accelerator for investigation of reactions between light nuclei in the astrophysical energy range. // Physics of Particles and Nuclei2017. vol. 48(4), p. 659-679.]. На потенциальном электроде диода создают сплошной слой плазмы с концентрацией более 10 см, а в межэлектродном зазоре диода создают магнитное поле с индукцией 0,5-0,8 Тл.
При осуществлении такого способа необходим дополнительный источник напряжения для создания магнитного поля в межэлектродном зазоре диода, источник плазмы, системы синхронизации и ввода плазмы в межэлектродныйзазор, которые усложняют конструкцию ионного диода, снижают надежность и к.п.д. генератора импульсного пучка легких ионов.
Известен способ генерации импульсного пучка легких ионов полосковым ионным диодом с магнитной самоизоляцией электронов [RU 2606404 C1, МПК H05H 9/00 (2006.01), опубл. 10.01.2017], который состоит из потенциального электрода и полоскового заземленного электрода, соединенного с корпусом диодной камеры с одной стороны и металлический экран, установленный на заземленном электроде. Потенциальный электрод полуцилиндрической фокусирующей конфигурации изготовлен из графита, имеет радиус изгиба 14 см, длину 20 см и ширину 10 см. Заземленный электрод изготовлен из полосы нержавеющей стали шириной 5 см, длиной 25 см и толщиной 2 мм, радиус изгиба 13 см. Заземленный электрод имеет пазы размером 0,4 см×2 см и прозрачность 70%.
Для создания плотной плазмы необходимого состава на поверхности потенциального электрода диода используют явление взрывной электронной эмиссии. Магнитное поле в межэлектродном зазоре формируют собственным током диода при протекании по заземленному электроду.
От генератора наносекундных импульсов к потенциальному электроду ионного диода прикладывают сдвоенные разнополярные импульсы напряжения - первый отрицательный (300-500 нс, 100-150 кВ) и второй положительный (120 нс, 250-300 кВ). В течение первого импульса на поверхности потенциального электрода диода образуют взрывоэмиссионную плазму. В течение второго импульса из взрывоэмиссионной плазмы эмитируют ионы, которые ускоряют в межэлектродном зазоре. Через прорези в заземленном электроде основная часть ионов проходит в область транспортировки импульсного пучка легких ионов. В течение генерации импульсного пучка легких ионов (второй импульс) электроны эмитируют с поверхности заземленного электрода и далее дрейфуют вдоль его поверхности от точки заземления к свободному концу электрода, формируя магнитное поле, вектор индукции которого перпендикулярен вектору напряженности электрического поля, меняя направление движения электронов от поперечного к продольному вдоль поверхности заземленного электрода к концу диода.
+
+
+
+
Недостатком прототипа является большая концентрация примесных ионов и сложность изменения состава ионного пучка. При использовании графитового потенциального электрода ионный пучок состоит из протонов и ионов углерода С, концентрация примесных ионов (С) составляет 80-85%. При использовании алюминиевого потенциального электрода пучок содержит протоны, ионы алюминия и ионы углерода [В.И. Шаманин, Г.Е. Ремнёв, В.А. Тарбоков. Ионный диод с магнитной самоизоляцией для генерации ионных пучков алюминия // Приборы и техника эксперимента, 2020, № 4, с. 35-39.]. Концентрация примесных ионов (Al и С) составляет 70%.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в генерации легких ионов, снижении концентрации примесных ионов и упрощении изменения состава ионного пучка.
Предложенный способ генерации импульсного пучка легких ионов, также как в прототипе, включает подачу сдвоенных разнополярных наносекундных импульсов напряжения к потенциальному электроду ионного диода, при этом в течение первого отрицательного импульса на его поверхности образуют взрывоэмиссионную плазму, а в течение второго положительного импульса из взрывоэмиссионной плазмы эмитируют ионы, которые ускоряют в межэлектродном зазоре, образованном между потенциальным электродом и полосковым заземленным электродом, соединенным одной стороной с корпусом камеры диода и направляют ионы в область транспортировки импульсного пучка легких ионов через прорези в полосковом заземленном электроде.
Согласно изобретению, в течение первого отрицательного импульса длительностью 380-700 нс и амплитудой 240-300 кВ формируют на поверхности потенциального электрода покрытие из соединений атомов материала потенциального электрода с атомами рабочего газа при давлении в камере ионного диода 2-80 мПа. Длительность второго положительного импульса составляет 150 нс при амплитуде 240-330 кВ. Причем материал потенциального электрода выбирают из условия:
λ
d
d
Д
1
2
< 0,15(-),
λ
Д
где  - расстояние, на котором напряженность электрического поля в взрывоэмиссионной плазме снижается в 2,7 раза (радиус Дебая);
d
1
- толщина слоя легкого ионного компонента на эмиссионной границе взрывоэмиссионной плазмы;
d
2
- толщина слоя тяжелого ионного компонента на эмиссионной границе взрывоэмиссионной плазмы.
Покрытие на поверхности потенциального электрода из соединения атомов металла с атомами рабочего газа формируют в течение первого отрицательного импульса при напуске рабочего газа (азот или водород) в камеру диода. При генерации пучка легких ионов реализуется эффект подавления генерации тяжелых ионов, который вызван более высокой скоростью расширения легкого ионного компонента взрывоэмиссионной плазмы по сравнению с тяжелым компонентом. Если глубина проникновения электрического поля в взрывоэмиссионную плазму меньше толщины слоя более легких ионов на ее эмиссионной границе, то происходит эмиссия из взрывоэмиссионной плазмы только легких ионов и их ускорение в межэлектродном зазоре.
Предложенный способ позволил получитьионные пучки, содержащие ионы азота или протоны, с концентрацией примесных ионов не более 10%. Для изменения состава импульсного пучка легких ионов достаточно изменить состав рабочего газа в камере диода.
Изобретение поясняется графическими материалами.
На фиг. 1 показана схема диодной камеры, где обозначено: 1 - потенциальный электрод диода, 2 - заземленный электрод диода, 3 - коллимированный цилиндр Фарадея (устройство для регистрации ионного тока).
+
+
На фиг. 2 представлены результаты измерения состава ионного пучка с помощью времяпролетной диагностики при использовании потенциального электрода из нержавеющей стали и азота в качестве рабочего газа, где обозначено: 4 - осциллограмма ускоряющего напряжения, 5 - осциллограмма плотности ионного тока, 6 - расчетная плотность тока ионов N, 7 - расчетная плотность тока ионов Fe.
+
+
12
-3
+
+
2
На фиг. 3 показано распределение концентрации ионов и напряженности электрического поля в межэлектродном зазоре при использовании потенциального электрода из нержавеющей стали и азота в качестве рабочего газа, состав взрывоэмиссионной плазмы - 67% ионы Fe и 33% ионы N (взрывная эмиссия FeN), концентрация плазмы 10 см, где обозначено: 8 - распределение концентрации ионов Fe, 9 - распределение концентрации ионов N, 10 - распределение напряженности электрического поля в межэлектродном зазоре диода при ускоряющем напряжении 270 кВ и зазоре 9 мм.
2+
+
На фиг. 4 представлены результаты измерения состава ионного пучка с помощью времяпролетной диагностики при использовании потенциального электрода из меди и азота в качестве рабочего газа, где обозначено: 11 - осциллограмма ускоряющего напряжения, 12 - осциллограмма плотности ионного тока, 13 - расчетная плотность тока ионов азота N, 14 - расчетная плотность тока ионов Cu.
+
2+
12
-3
+
2+
3
На фиг. 5 показано распределение концентрации ионов и напряженности электрического поля в межэлектродном зазоре при использовании потенциального электрода из меди и азота в качестве рабочего газа, состав взрывоэмиссионной плазмы - 75% ионы Cu и 25% ионы N (взрывная эмиссия CuN), концентрация плазмы 10 см, где обозначено: 15 - распределение концентрации ионов Cu, 16 - распределение концентрации ионов N, 17 - распределение напряженности электрического поля в межэлектродном зазоре диода при ускоряющем напряжении 260 кВ и зазоре 9 мм.
2+
+
На фиг. 6 представлены результаты измерения состава ионного пучка с помощью времяпролетной диагностики при использовании потенциального электрода из титана и азота в качестве рабочего газа, где обозначено: 18 - осциллограмма ускоряющего напряжения, 19 - осциллограмма плотности ионного тока, 20 - расчетная плотность тока ионов N, 21 - расчетная плотность тока ионов Ti.
+
+
12
-3
+
2+
На фиг. 7 показано распределение концентрации ионов и напряженности электрического поля в межэлектродном зазоре при использовании потенциального электрода из титана и азота в качестве рабочего газа, состав взрывоэмиссионной плазмы - 50% ионы Ti и 50% ионы N (взрывная эмиссия TiN), концентрация плазмы 10 см, где обозначено: 22 - распределение концентрации ионов Ti, 23 - распределение концентрации ионов N, 24 - распределение напряженности электрического поля в межэлектродном зазоре диода при ускоряющем напряжении 240 кВ и зазоре 9 мм.
+
На фиг. 8 представлены результаты измерения состава ионного пучка с помощью времяпролетной диагностики при использовании потенциального электрода из меди и водорода в качестве рабочего газа, где обозначено: 25 - осциллограмма ускоряющего напряжения (второй импульс), 26 - осциллограмма плотности ионного тока, 27 - расчетная плотность тока протонов, 28 - расчетная плотность тока ионов Cu.
+
12
-3
+
На фиг. 9 показано распределение концентрации ионов и напряженности электрического поля в межэлектродном зазоре при использовании потенциального электрода из меди и водорода в качестве рабочего газа, состав взрывоэмиссионной плазмы - 50% протоны и 50% ионы Cu (взрывная эмиссия CuH), концентрация плазмы 10 см, где обозначено: 29 - распределение концентрации протонов, 30 - распределение концентрации ионов Cu, 31 - распределение напряженности электрического поля в межэлектродном зазоре диода при ускоряющем напряжении 320 кВ и зазоре 9 мм.
+
На фиг. 10 представлены результаты измерения состава ионного пучка с помощью времяпролетной диагностики при использовании потенциального электрода из меди и водорода в качестве рабочего газа, где обозначено: 32 - осциллограмма ускоряющего напряжения (второй импульс), 33 - осциллограмма плотности ионного тока, 34 - расчетная плотность тока протонов, 35 - расчетная плотность тока ионов Cu.
+
На фиг. 11 представлены результаты измерения состава ионного пучка с помощью времяпролетной диагностики при использовании потенциального электрода из титана и водорода в качестве рабочего газа, где обозначено: 36 - осциллограмма ускоряющего напряжения (второй импульс), 37 - осциллограмма плотности ионного тока, 38 - расчетная плотность тока протонов, 39 - расчетная плотность тока ионов Ti.
+
12
-3
+
2
На фиг. 12 показано распределение концентрации ионов и напряженности электрического поля в межэлектродном зазоре при использовании потенциального электрода из титана и водорода в качестве рабочего газа, состав взрывоэмиссионной плазмы - 67% протоны и 33% ионы Ti (взрывная эмиссия TiH), концентрация плазмы 10 см, где обозначено: 40 - распределение концентрации протонов, 41 - распределение концентрации ионов Ti, 42 - распределение напряженности электрического поля в межэлектродном зазоре диода при ускоряющем напряжении 300 кВ и зазоре 9 мм.
Способ генерации импульсного пучка легких ионов осуществляют используя ионный диод с металлическим потенциальным электродом и магнитной самоизоляцией электронов. До начала генерации импульсного пучка легких ионов на поверхности электродов ионного диода происходит адсорбция молекул рабочего газа в камере диода. Далее от генератора импульсов ускоряющего напряжения к потенциальному электроду 1 (фиг. 1) ионного диода прикладывают сдвоенные разнополярные импульсы - первый отрицательный и второй положительный. В течение первого импульса происходят следующие процессы: на поверхности металлического потенциального электрода 1 образуют взрывоэмиссионную плазму; из взрывоэмиссионной плазмы эмитируют электроны, которые ускоряют в межэлектродном зазоре; в межэлектродном зазоре образуют ионы рабочего газа и ускоряют ионы в направлении к потенциальному электроду 1; на поверхности потенциального электрода 1 образуют соединения атомов металла с атомами рабочего газа (нитриды, карбиды, гидриды и др.). В течение первого импульса происходит расширение взрывоэмиссионной плазмы, при этом скорость легких ионов больше скорости тяжелых ионов. В течение второго импульса из взрывоэмиссионной плазмы на поверхности потенциального электрода 1 эмитируют ионы, которые ускоряют в межэлектродном зазоре. Затем основная часть ионов проходит в область транспортировки импульсного пучка легких ионов.
Пример 1.
+
+
+
d
d
λ
d
d
1
2
Д
1
2
Потенциальный электрод 1 полуцилиндрической фокусирующей конфигурации был выполнен из нержавеющей стали, имел радиус изгиба 14 см, длину 20 см и ширину 10 см. Заземленный электрод 2 был изготовлен из полосы нержавеющей стали шириной 5 см, длиной 25 см и толщиной 2 мм, с радиусом изгиба 13 см. Заземленный электрод 2 имел пазы размером 0,4×2 см и прозрачность 70%. Давление в камере диода составляло 2 мПа и рабочий газ состоял из азота. Напуск азота в камеру диода осуществляли газовым натекателем, давление в камере диода измеряли магниторазрядным вакуумметром ВМБ-8. От генератора импульсов ускоряющего напряжения к потенциальному электроду 1 ионного диода прикладывали сдвоенные разнополярные импульсы 4 - первый отрицательный (450 нс, 270 кВ) и второй положительный (150 нс, 300 кВ). Состав полученного пучка легких ионов - ионы N (98%), содержание примесных ионов менее 2% (фиг. 2). Радиус Дебая составил 14 мкм; толщина слоя ионов N (на уровне 20%)на эмиссионной границе взрывоэмиссионной плазмы  = 217 мкм; толщина слоя ионов Fe (на уровне 20%)на эмиссионной границе взрывоэмиссионной плазмы  = 109 мкм (фиг. 3). При использовании потенциального электрода 1 из нержавеющей стали и азота в качестве рабочего газа условие  < 0.15(-) выполняется.
Пример 2.
2+
+
2+
+
d
d
λ
d
d
1
2
Д
1
2
Потенциальный электрод 1 полуцилиндрической фокусирующей конфигурации был выполнен из меди, имел радиус изгиба 14 см, длину 20 см и ширину 10 см. Заземленный электрод 2 был изготовлен из полосы нержавеющей стали шириной 5 см, длиной 25 см и толщиной 2 мм, с радиусом изгиба 13 см. Заземленный электрод 2 имел пазы размером 0,4×2 см и прозрачность 70%. Давление в диодной камере составляло 3 мПа, рабочий газ азот. Напуск азота в камеру диода осуществляли газовым натекателем, давление в камере диода измеряли магниторазрядным вакуумметром ВМБ-8. От генератора импульсов ускоряющего напряжения к потенциальному электроду 1 ионного диода прикладывали сдвоенные разнополярные импульсы 11 (фиг. 4) - первый отрицательный (450 нс, 300 кВ) и второй положительный (150 нс, 260 кВ). Состав пучка - ионы азота N (≈95%), содержание примесных ионов Cu около 5% (фиг. 4). Радиус Дебая составил 14 мкм; толщина слоя ионов азота N (на уровне 20%)на эмиссионной границе взрывоэмиссионной плазмы  = 217 мкм; толщина слоя ионов Cu (на уровне 20%)на эмиссионной границе взрывоэмиссионной плазмы  = 101 мкм (фиг. 5). При использовании потенциального электрода 1 из меди и азота в качестве рабочего газа условие  < 0,15(-) выполняется.
Пример 3.
2+
+
2+
+
d
d
λ
d
d
1
2
Д
1
2
Потенциальный электрод 1 полуцилиндрической фокусирующей конфигурации был выполнен из титана, имел радиус изгиба 14 см, длину 20 см и ширину 10 см. Заземленный электрод 2 был изготовлен из полосы нержавеющей стали шириной 5 см, длиной 25 см и толщиной 2 мм, с радиусом изгиба 13 см. Заземленный электрод 2 имел пазы размером 0,4×2 см и прозрачность 70%. Давление в диодной камере составляло 5 мПа, рабочий газ азот. Напуск азота в камеру диода осуществляли газовым натекателем, давление в камере диода измеряли магниторазрядным вакуумметром ВМБ-8. От генератора импульсов ускоряющего напряжения к потенциальному электроду 1 ионного диода прикладывали сдвоенные разнополярные импульсы 18 (фиг. 6) - первый отрицательный (380 нс, 240 кВ) и второй положительный (150 нс, 240 кВ). Состав пучка - ионы азота N (≈95%), содержание примесных ионов Ti около 5% (фиг. 6). Радиус Дебая составил 14 мкм; толщина слоя ионов N (на уровне 20%)на эмиссионной границе взрывоэмиссионной плазмы  = 217 мкм; толщина слоя ионов Ti (на уровне 20%)на эмиссионной границе взрывоэмиссионной плазмы = 117 мкм (фиг. 7). При использовании потенциального электрода 1 из титана и азота в качестве рабочего газа условие  < 0,15(-) выполняется.
Пример 4.
+
+
d
d
λ
d
d
1
2
Д
1
2
Потенциальный электрод 1 полуцилиндрической фокусирующей конфигурации был выполнен из меди, имел радиус изгиба 14 см, длину 20 см и ширину 10 см. Заземленный электрод 2 был изготовлен из полосы нержавеющей стали шириной 5 см, длиной 25 см и толщиной 2 мм, с радиусом изгиба 13 см. Заземленный электрод 2 имел пазы размером 0,4×2 см и прозрачность 70%. Давление в диодной камере составляло 18 мПа, рабочий газ водород. Напуск водорода в камеру диода осуществляли газовым натекателем, давление в камере диода измеряли магниторазрядным вакуумметром ВМБ-8. От генератора импульсов ускоряющего напряжения к потенциальному электроду 1 ионного диода прикладывали сдвоенные разнополярные импульсы 25 (фиг. 8) - первый отрицательный (700 нс, 300 кВ) и второй положительный (150 нс, 320 кВ). Состав пучка - протоны (≈90%), содержание примесных ионов Cu около 10% (фиг. 8). Радиус Дебая составил 14 мкм; толщина слоя протонов (на уровне 20%)на эмиссионной границе взрывоэмиссионной плазмы  = 812 мкм; толщина слоя ионов Cu (на уровне 20%)на эмиссионной границе взрывоэмиссионной плазмы = 101 мкм (фиг. 9). При использовании потенциального электрода 1 из меди и водорода в качестве рабочего газа условие  < 0,15(-) выполняется.
Пример 5.
+
+
d
d
λ
d
d
1
2
Д
1
2
Потенциальный электрод 1 полуцилиндрической фокусирующей конфигурации был выполнен из меди, имел радиус изгиба 14 см, длину 20 см и ширину 10 см. Заземленный электрод 2 был изготовлен из полосы нержавеющей стали шириной 5 см, длиной 25 см и толщиной 2 мм, с радиусом изгиба 13 см. Заземленный электрод 2 имел пазы размером 0,4×2 см и прозрачность 70%. Давление в диодной камере составляло 80 мПа, рабочий газ водород. Напуск водорода в камеру диода осуществляли газовым натекателем, давление в камере диода измеряли магниторазрядным вакуумметром ВМБ-8. От генератора импульсов ускоряющего напряжения к потенциальному электроду 1 ионного диода прикладывали сдвоенные разнополярные импульсы 32 (фиг. 10) - первый отрицательный (610 нс, 300 кВ) и второй положительный (150 нс, 330 кВ). Состав пучка - протоны (≈90%), содержание примесных ионов Cu около 10% (фиг. 10). Радиус Дебая составил 14 мкм; толщина слоя протонов (на уровне 20%)на эмиссионной границе взрывоэмиссионной плазмы  = 812 мкм; толщина слоя ионов Cu (на уровне 20%)на эмиссионной границе взрывоэмиссионной плазмы = 101 мкм (фиг. 9). При использовании потенциального электрода 1 из меди и водорода в качестве рабочего газа условие  < 0,15(-) выполняется.
Пример 6.
+
+
d
d
λ
d
d
1
2
Д
1
2
Потенциальный электрод 1 полуцилиндрической фокусирующей конфигурации был выполнен из титана, имел радиус изгиба 14 см, длину 20 см и ширину 10 см. Заземленный электрод 2 был изготовлен из полосы нержавеющей стали шириной 5 см, длиной 25 см и толщиной 2 мм, с радиусом изгиба 13 см. Заземленный электрод 2 имел пазы размером 0,4×2 см и прозрачность 70%. Давление в диодной камере составляло 80 мПа, рабочий газ водород. Напуск водорода в камеру диода осуществляли газовым натекателем, давление в камере диода измеряли магниторазрядным вакуумметром ВМБ-8. От генератора импульсов ускоряющего напряжения к потенциальному электроду 1 ионного диода прикладывали сдвоенные разнополярные импульсы 36 (фиг. 11) - первый отрицательный (610 нс, 300 кВ) и второй положительный (150 нс, 300 кВ). Состав пучка - протоны (≈90%), содержание примесных ионов Ti около 10% (фиг. 11). Радиус Дебая составил 14 мкм; толщина слоя протонов (на уровне 20%)на эмиссионной границе взрывоэмиссионной плазмы  = 812 мкм; толщина слоя ионов Ti (на уровне 20%)на эмиссионной границе взрывоэмиссионной плазмы  = 117 мкм (фиг. 12). При использовании потенциального электрода 1 из титана и водорода в качестве рабочего газа условие  < 0,15(-) выполняется.
Таким образом, предложенный способ обеспечивает генерацию импульсного пучка легких ионов, что вызвано более высокой скоростью расширения легкого ионного компонента взрывоэмиссионной плазмы по сравнению с тяжелой компонентой. Если глубина проникновения электрического поля в взрывоэмиссионную плазму меньше толщины слоя более легких ионов на ее эмиссионной границе, то происходит эмиссия из взрывоэмиссионной плазмы только легких ионов и их ускорение в межэлектродном зазоре.