ЭЛЕКТРОДНЫЙ УЗЕЛ ИСТОЧНИКА ИОНОВ

Полезная модель относится к устройствам для генерации плазмы, конкретно к электроразрядным импульсным источникам ионов и может быть использована в импульсных генераторах нейтронов.
В вакуумных нейтронных трубках - основных элементах генераторов нейтронов - широко используются трехэлектродные (катод - поджигающий электрод - анод) искро-дуговые источники ионов, получение ионов дейтерия в которых основано на десорбции окклюдированного в металле электродов (Ti, Zr) дейтерия и его ионизации в дуговом разряде между катодом и анодом. Ресурс такого ионного источника фактически определяется ресурсом его основного электродного узла - поджигающей системы, состоящей из катода, изолятора и поджигающего электрода. На ресурс и стабильность работы источника ионов в целом большое влияние оказывает способ соединения деталей поджигающей системы и эффективная длина контакта изолятор - катод, по которому развивается вспомогательный разряд.
Известна конструкция искро-дугового источника ионов металла - MEVVA, состоящего и электродного узла и анода. Анод фактически представляет собой диафрагму, параллельную поверхности катода. В электродном узле поджигающий разряд по поверхности диэлектрика осуществляется при подаче высоковольтного импульса положительной полярности на поджигающий электрод, соосно соединенный через керамический изолятор с цилиндрическим катодом. Изолятор приклеен к катоду замазкой на основе окиси алюминия, для того, чтобы поджигающая искра была разрядом по поверхности, а не через вакуумный промежуток. Физика и технология источников ионов, под редакцией Я. Брауна, «МИР», Москва, 1998 г., 496 с, рис. 16.4 стр. 363.
Использование подобного приема в источниках ионов вакуумных нейтронных трубок невозможно в обоих потенциальных вариантах - приклеивании до насыщения катода изотопами водорода и после. В первом варианте из-за деформации (увеличении диаметра) катода при насыщении, а во втором из-за необходимости высокотемпературного отжига замазки, в результате которого весь окклюдированный газ из объема катода будет удален. Взаимное расположение электродов основного разряда - параллельные поверхности - так же не совсем подходит для вакуумных нейтронных трубок, т.к. предполагает извлечение металлической компоненты из источника ионов.
2
2
Известна технология микродугового оксидирования (МДО), предназначенная для формирования оксидных покрытий на поверхности «вентильных» металлов, например, Al, к числу которых относятся и Ti, Zr, образующие устойчивые гидриды TiH, ZrH. Особенностью данной технологии является формирование оксидного слоя значительной толщины (до нескольких сотен микрометров) из материала самого обрабатываемого изделия при относительно низкой температуре. Последующее гидрирование металла вместе с оксидным слоем приводит к частичному восстановлению последнего, образованию кермета. Покрытие может быть сформировано и на предварительно гидрированном металле. Для формирования покрытия на части поверхности заготовки остальную поверхность закрывают маской, например, из фторопласта. G.A. Markov, V.V. Tatarchuk, M.K. Mironova, Izv. SO AN SSSR. Ser. Khim. Nauk 3(7):34 (1983), in Russian.
Известным недостатком технологии МДО является наличие остаточной сквозной пористости в формируемом оксидном слое, величина которой составляет около 3%. Подобные дефекты не позволяют обеспечить требуемую электропрочность слоя диэлектрика при продолжительной работе. Вместе с тем, известно, что метод магнетронного напыления обеспечивает создание беспористых покрытий небольшой толщины. Нанесение с помощью магнетронного напыления тонкого слоя оксида поверх покрытия МДО позволит устранить остаточную пористость и таким образом компенсировать его основной недостаток. Эта же технология используется и для нанесения пленки металла, играющей роль поджигающего электрода. А.И. Кузьмичев. Магнетронные распылительные системы. Киев: Аверс, 2008. 244 с.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является электродный узел искро-дугового источника ионов нейтронной трубки. Патент Российской Федерации №2287197, G21G 4/02, 2006 г. Прототип.
Недостатками прототипа являются относительно низкая стабильность и ресурс, присущие составной поджигающей системе, используемой для инициации основного разряда. Механическое соединение деталей электродного узла, требующее высокой точности обработки и дополнительной шлифовки изолятора и катода после насыщения, не гарантирует его надежную работу. При работе источника ионов в импульсно-периодическом режиме в результате многократного циклического изменения температуры возможно ослабление сжатия сборки поджигающей системы и нарушение контакта ее составных элементов. Формирование благоприятных для поджигающего пробоя условий в нескольких точках поджигающей системы (местах фактического контакта) приводит к усиленной выработке рабочих электродов в этих точках, нестабильности генерируемого потока дейтронов и значительному разбросу эмиссионных характеристик источников ионов. Нанесение полупроводящего покрытия является необходимым условием начального запуска источника в силу относительно большой толщины изолятора и небольшой амплитуды поджигающего импульса (до 15 кВ). Это покрытие, как правило, отличается значительным разбросом начального сопротивления и, как следствие, повышенной вероятностью несрабатывания источника ионов как сразу после изготовления, так и в процессе эксплуатации.
Данная полезная модель устраняет недостатки аналогов и прототипа.
Задачей полезной модели является обеспечение по всей длине контакта катод - изолятор одинаково благоприятных условий формирования поджигающего пробоя за счет перехода к неразъемной конструкции электродного узла.
Техническим результатом полезной модели является упрощение конструкции узла, повышение его надежности и стабильности работы за счет плотного и равномерного контакта катод - изолятор по всей длине, увеличение ресурса работы источника ионов и всей вакуумной нейтронной трубки в целом.
Технический результат достигается тем, электродный узел источника ионов, содержащий катод, изолятор и поджигающий электрод выполнен из насыщенного изотопами водорода листа циркония, на одной из поверхностей которого микродуговым оксидированием сформирован слой оксида циркония, поверх которого магнетронным распылением нанесен дополнительный слой оксида церия и металлический слой.
Напыление тонкой пленки оксида церия на поверхность оксида циркония позволяет повысить изолирующие свойства оксидного слоя за счет устранения его остаточной пористости, обусловленной применением технологии МДО.
Сущность полезной модели поясняется на чертеже, на котором схематически представлено сечение источника ионов с электродным узлом, где: 1 - анод, выполненный из циркония и насыщенный изотопами водорода; 2 - поджигающий электрод, выполненный в виде напыленной пленки; 3 - изолирующий слой, состоящий из слоя оксида циркония, сформированного с помощью МДО, и дополнительного слоя оксида церия, нанесенного с помощью магнетронного напыления; 4 - катод, выполненный из циркония и насыщенный изотопами водорода. Кольцевой анод 1 и катод 4 соединены через коммутатор с высоковольтным источником напряжения (коммутатор и источник на рисунке не показаны).
Источник ионов работают следующим образом. При подаче от генератора поджигающих импульсов (не показан) импульса напряжения на поджигающий электрод 2 развивается пробой между поджигающим электродом 2 и кромкой заземленного катода 4 по поверхности изолятора 3.
Поджигающий разряд в свою очередь инициирует дуговой разряд между кольцевым анодом 1 и катодом 4.
Электродные пятна образовавшейся вакуумной дуги испускают плазменные потоки, содержащие изотопы водорода, т.к. электроды 1 и 4 источника ионов содержат их в окклюдированном состоянии.