ИСТОЧНИК ВОДОРОДНЫХ ИОНОВ В РЕЖИМЕ ПОСТОЯННОГО ТОКА С ОСЦИЛЛЯЦИЕЙ ЭЛЕКТРОНОВ И ХОЛОДНЫМ КАТОДОМ В ВИДЕ ПОДВИЖНОЙ СТРУНЫ

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано на инжекторах протонных линейных ускорителей, в протонных имплантерах для решения задач микроэлектроники (КНИ - кремний на изоляторе).

Сущность изобретения: с целью создания простого, надежного источника водородных ионов в режиме постоянного тока величиной до 5 мА был использован источник с холодным катодом и осцилляцией электронов, в котором для этого в центре катода была установлена подвижная струна из тугоплавкого металла диаметром 1 мм, анодный изолятор выполнен в виде втулки, анод выполнен из 3-5-ти слоев немагнитной фольги, а между анодом и изолятором введено механически мягкое немагнитное (демпфирующее) кольцо с высоким тепловым сопротивлением.

Прототипом изобретения является конструкция источника постоянного тока водородных ионов, описанная в патенте на изобретение №2308115, опубл. 10.10.2007. Источник постоянного тока водородных ионов со стержневым холодным катодом состоит из соленоидальной катушки, надетой на немагнитную вакуумную камеру, внутри которой помещены катодный магнитный полюс с центральным углублением, катод из нержавеющей стали в виде плоского диска с центральным углублением в виде стакана, примыкающего к катодному магнитному полюсу, анода в виде пустотелого цилиндра с сужением в середине, выполненного из нержавеющей стали, холодного антикатода в виде диска, выполненного из нержавеющей стали, по оси которого выполнено углубление с отверстием эмиссии в центре, своей выступающей частью вставленного в отверстие антикатодного магнитного полюса, в катодном магнитном полюсе. В холодном катоде и вакуумной камере ионного источника выполнено сквозное отверстие, через которое пропущен стержень из тугоплавкого металла, один конец которого введен в разрядную камеру ионного источника, а второй конец соединен с механизмом, с помощью которого осуществляется перемещение стержня в прямом и обратном направлении вдоль оси разрядной камеры источника, в котором анод выполнен в виде пустотелого цилиндра с центральной кольцевой перемычкой внутри, с двух сторон в анод до перемычки вставлены два тонкостенных цилиндра из немагнитного металла, при этом обеспечена затрудненная теплопередача между анодом и цилиндрами.

Дополнительные углубленные исследования работы этого источника выявили недостатки его конструкции из-за узкого диапазона параметров его работы. Выяснилось, что для нагрева катодного стержня до температуры появления термоэлектронов требуется большой ток разряда, при котором достаточно быстро начинается температурная деформация анода и прекращение работы источника, что составляет техническую проблему.

Задача настоящего изобретения заключается в решении технической проблемы нестабильности работы источника постоянного тока водородных ионов.

Поставленная задача достигается созданием предложенной конструкции источника с осцилляцией электронов в режиме постоянного тока водородных ионов с холодными катодом и антикатодом, состоящего из соленоидальной катушки, надетой на немагнитную вакуумную камеру, внутри которой помещены катодный магнитный полюс с центральным углублением, катод выполнен в виде плоского диска с центральным углублением в виде стакана, примыкающий к катодному магнитному полюсу, анод в виде пустотелого цилиндра с центральной кольцевой перемычкой внутри, кольцевой анодный изолятор и антикатод в виде диска по оси которого выполнено углубление с отверстием эмиссии в центре, своей выступающей частью вставленный в отверстие антикатодного магнитного полюса, при этом в центр катода введена подвижная струна из тугоплавкого металла диаметром 1 мм, анодный изолятор выполнен в виде втулки, а анод выполнен в виде многослойного тонкостенного цилиндра из немагнитной фольги с кольцевой диафрагмой в середине, при этом между анодом и изолятором введено механически мягкое немагнитное кольцо с высоким тепловым сопротивлением.

Технический результат изобретения достигается установкой по центру разрядной камеры ионного источника струны из тугоплавкого металла диаметром 1 мм, на торце которой в режиме постоянного тока формируется точечный источник термоэлектронов - основа тонкого (d<0,1 мм) осевого разряда, что обеспечивает стабильный ток водородных ионов I=5*10^-3 А (при токе разряда I=0,5 А, напряжении на разряде U=300 В и ускоряющем напряжении U=40 кВ). При использовании конструкции анода в виде мягкого тонкостенного цилиндра, а анодного изолятора в виде втулки исключается нарушение работы источника из-за возникновения каналов проводимости («закороток») анод-катод продуктами распыления катода и антикатода. При этом введение между анодом и изолятором механически мягкого немагнитного кольца с высоким тепловым сопротивлением сохраняет от разрушения при температурных деформациях изолятор анода.

Краткое описание чертежей:

Фиг. 1 Схема источника водородных ионов в режиме постоянного тока с осцилляцией электронов и холодным катодом в виде подвижной струны

1 - Механизм перемещения катодной струны; 2 - Катодной магнитный полюс; 3 - Катодная струна; 4 - Катод; 5 - Соленоидальная катушка; 6 - Изолятор; 7 - Вакуумная камера; 8 - Демпфирующее кольцо; 9 - Анод с диафрагмой; 10 -Антикатод; 11 - Антикатодный магнитный полюс; 12 - Электрод расширительной чаши; 13 - Элемент водяного охлаждения; 14 - Канал катодной струны.

Источник с осцилляцией электронов в режиме постоянного тока водородных ионов, поперечное сечение которого изображено на чертеже, состоит из соленоидальной катушки (5), надетой через элемент водяного охлаждения (13) на немагнитную вакуумную камеру (7), внутри которой помещены катодный магнитный полюс (2) с центральным углублением, катод (4) из нержавеющей стали в виде плоского диска с центральным углублением в виде стакана, примыкающего к катодному магнитному плюсу (2), анода (9) в виде мягкого тонкостенного цилиндра, выполненного из немагнитной многослойной фольги, который через демпфирующее кольцо (8) соединен с изолятором (6), холодного антикатода (10) в виде диска, выполненного их нержавеющей стали, по оси которого выполнено углубление с отверстием эмиссии в центре, своей выступающей частью вставленного в отверстие антикатодного магнитного полюса (11), который примыкает к электроду расширительной чаши (12), в катодном магнитном полюсе, в холодном катоде и вакуумной камере ионного источника выполнено сквозное отверстие (14), через которое пропущена струна (3) из тугоплавкого металла диаметром 1 мм, один конец которой введен в разрядную камеру ионного источника, а второй конец соединен с механизмом (1), с помощью которого осуществляется перемещение струны в прямом и обратном направлении вдоль оси разрядной камеры источника.

В водородной плазме источника с осцилляцией электронов около раскаленного катода всегда есть электроны с нулевой аксиальной скоростью и нейтральные атомы водорода Н°, именно в этих условиях и образуются отрицательные ионы водорода Н^-. Поэтому в зазоре анод-катод существуют два противоположных потока из Н⁺ и Н^-. Следствием этого является формирование торца струны в виде острия при одновременном укорочении струны. Так, при I_ион=5 мА за один час работы струна укорачивается приблизительно на 1 мм. Поэтому для стабильной работы источника необходим автоматический ввод катодной струны со скоростью, зависимой от режима работы источника. При постоянной работе источника в разрядной камере выделяется мощность несколько сот Ватт. Поэтому в конструкции рассматриваемого изобретения, относительно анода и элементов его крепления, предусмотрены решения для компенсации температурных деформаций в виде мягких элементов многослойной немагнитной фольги.

Специфика осциллирующего разряда в предложенном ионном источнике заключается в том, что за счет осевых углублений в катодном (2) и антикатодном (11) магнитных полюсах магнитное поле на оси оказывается минимальным, что приводит к дрейфу осциллирующих электронов к оси источника, возникновению термоэмиссии с торца катодной струны (3) и формированию интенсивного приосевого разряда диаметром в доли миллиметра. Этим объясняются скромные затраты электрической мощности для работы источника при ионном токе I=5×10^-3 А, тока в разрядной камере источника I=0,5 А, при напряжении на разряде U=300 В.

Примеры осуществления изобретения:

Пример 1. Экспериментальная проверка работы конструкции источника проводилась при ускоряющем напряжении U=40 кВ, токе водородных ионов I=5×10^-3 А, в режиме постоянного тока, который достигался за счет использования точечного источника электронов на торце вольфрамовой струны диаметром 1 мм, при токе разряда I=0,5 А, напряжении на разряде U=300 В и ускоряющем напряжении U=40 кВ. Ввод катодной струны обеспечивался автоматически со скоростью, зависимой от режима работы источника.

При использовании катодной струны меньшего (приблизительно 0.5 мм) и большего (2 мм) диаметров резко уменьшилась надежность работы источника (быстрый выход из строя из-за нарушений работы), чего не наблюдалось при использовании катодной струны 1 мм в диаметре.

Также выяснилось, что при продолжительной работе источника возникал канал проводимости между анодом и катодом из-за продуктов распыления катода и антикатода.

Выявленную проблему устранили выполнением конструкции анода в виде мягкого тонкостенного цилиндра из 3-5-ти слоев немагнитной фольги с кольцевой диафрагмой в середине и выполнением анодного изолятора в виде втулки.

Защита анодного изолятора от температурных деформаций обеспечивается введением между анодом и изолятором механически мягкого немагнитного кольца с высоким тепловым сопротивлением.

Использование заявленного технического решения найдет применение в ускорительной технике.