АНАЛИЗАТОР АТОМНЫХ ЧАСТИЦ

Область техники
Полезная модель относится к корпускулярной диагностике высокотемпературной плазмы и может быть использована для ионизации атомов перезарядки, которые применяются для определения ионной температуры в термоядерных установках. Кроме того, полезная модель может быть использована в космических исследованиях для изучения потоков нейтральных частиц.
Уровень техники
Известна схема ионизации атомов перезарядки при их отражении от поверхности металла, смотри, например, Voorhies H.G., Ohkawa Т. Use of metallic surfaces to convert hydrogen atoms to ions in the 50-3000 eV energy range - Plasma Physics (Journal of Nuclear Energy Part C) 1966, vol. 8, p. 555-559, существенным недостатком которого является его малая эффективность.
Известна схема преобразования нейтральных атомов в отрицательные ионы (T.E. Moore, D.J. Chornay, M.R. Collier et al, The low energy neutral atom imager for image, Space Science Reviews, 91, 155, 2000), в котором нейтральные атомы, в основном атомы водорода, рассеивались на вольфрамовой поверхности под углом около 90°. При этом часть их превращалась в отрицательные ионы, которые затем анализировались по энергиям в электростатическом анализаторе. Минимальная энергия атомов, при которых этот способ применялся, составляла 10-15 эВ. Эффективность преобразования нейтральных частиц в отрицательные ионы при этом зависит от состояния вольфрамовой поверхности. Для повышения этой эффективности поверхность иногда покрывают цезием. Для. исследований целесообразно осуществлять преобразование нейтральных частиц в положительные ионы. Это связано с особенностями питания вторично-электронных умножителей, которые используются в качестве детекторов в анализаторе.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой полезной модели является схема анализатора атомных частиц, состоящего из вакуумированного корпуса с отверстием для входа потока частиц и последовательно установленных по направлению потока мишени электростатического анализатора и детектора ионов, (Готт Ю.В. «Взаимодействие частиц с веществом в плазменных исследованиях», Москва, Атомиздат, 1978). В анализаторе поток частиц перезарядки из плазмы попадает на твердую мишень, представляющую собой углеродную фольгу толщиной ~50 . Анализатор дает возможность измерять только энергетический состав потока частиц перезарядки. Недостатком анализатора является то, что изготовление углеродной фольги толщиной ~50  трудоемко. В процессе работы фольга загрязняется, что приводит к изменению свойств мишени при изучении потоков нейтральных частиц на термоядерных установках, а также к необходимости ее периодической замены. Кроме того, минимальная энергия анализируемых атомов дейтерия составляет 100-200 эВ. Частицы меньших энергий через углеродную фольгу не проходят.
Раскрытие сущности полезной модели
Проблемой решаемой заявляемой полезной моделью является создание анализатора, который позволит проводить диагностику плазмы для минимальной энергии атомов.
Техническим результатом полезной модели является повышение достоверности диагностики плазмы в широком диапазоне энергии атомов.
Для достижения этого результата предложен анализатор атомных частиц состоящий из вакуумированного корпуса с отверстием для входа потока частиц и последовательно установленных по направлению потока мишени электростатического анализатора и детектора ионов, при этом в качестве мишени используют мелкоструктурную никелевую сетку.
Кроме того,
- в качестве мишени используют мелкоструктурную никелевую сетку с шагом 50-100 мкм.
- корпус выполнен двойным из магнитомягкого материала.
Краткое описание чертежа модели
На фиг. 1 показана схема одного из возможного варианта выполнения анализатора атомных частиц, а на фиг. 2 схема ионизации атомов мелкоструктурной никелевой сеткой, где:
1 - отверстие для входа потока частиц - входной патрубок;
2 - мишень (никелевая сетка с шагом 70 мкм);
3 - электростатический анализатор;
4 - детектор.
5 - корпус из двойного магнитного экрана;
На фиг. 3 представлена микрофотография никелевой сетки (белая черта - масштаб 100 мкм).
Осуществление полезной модели
0
Поток частиц перезарядки из плазмы D через входной патрубок 1 попадает на твердую мишень 2, представляющую собой мелкоструктурную никелевую сетку. Мелкоструктурная никелевая сетка выпускается с шагом от 20 до 200 Мкм. Уменьшение шага приводит к увеличению площади рассеивающей поверхности, но при этом уменьшается прозрачность сетки. Для анализатора шаг сетки может быть от 50 до 100 Мкм. В используемом макете анализатора была применена сетка с шагом 70 мкм. На мишени 2 происходит ионизация атомов за счет их столкновения с атомами мишени. Рассеяние частиц происходит на боковых поверхностях мелкоструктурной никелевой сетки. Положительно заряженные ионы, вышедшие из мишени 2, анализируются по энергиям при помощи электростатического анализатора 3 и регистрируются детектором 4. В качестве детектора могут быть использованы выпускаемые промышленностью вторично-электронные умножители типа ВЭУ-6 или ВЭУ-7 (Готт Ю.В., Курнаев В.А., Вайсберг О.Л. Корпускулярная диагностика лабораторной и космической плазмы: Учебное пособие / Под ред. В.А. Курнаева. - М: МИФИ, 2008. - 144 с.). Для защиты анализатора от воздействия рассеянных магнитных полей корпус может быть выполнен в виде двойного магнитного экрана 5 из, например, магнитомягкого материала Сталь-3 или Армко. Предварительное вакуумирование анализатора производится отдельным насосом, а основное -через входной патрубок 1, соединенный с вакуумным объемом установки. (Насосы и патрубки для предварительной откачки на фигуре не показаны).
Увеличение площади мишени, на которой производится ионизация нейтральных атомов в положительно заряженные ионы производится путем увеличения шага мелкоструктурной никелевой сетки, при этом увеличивается чувствительность анализатора.
Таким образом, использование в качестве мишени мелкоструктурной никелевой сетки с возможностью изменения поверхности ионизации повышает достоверность диагностики плазмы, т.к. никель не изменяет своих свойств в процессе эксплуатации анализатора, позволяет ионизировать нейтральные частицы в положительно заряженные ионы и исследовать атомы с энергией до 10-20 эВ, выполнение корпуса из магнитного материала дополнительно позволяет повысить достоверность измерений за счет исключения воздействия рассеянных магнитных полей.