RU2079920C1

RU2079920C1 - Device for stabilization of ion source heat condition

Info

Publication number: RU2079920C1
Application number: RU94029333A
Authority: RU
Inventors: М.И. Мартынов
Original assignee: Российский научный центр "Курчатовский институт"
Priority date: 1994-08-04
Filing date: 1994-08-04
Publication date: 1997-05-20
Also published as: RU94029333A

Abstract

FIELD: ion source engineering. SUBSTANCE: gaps are provided between the elements of the heat-radiating system connected to the ion source; heat-absorbing elements are inserted in the gaps. The heat-absorbing elements moving in axial direction are cooled by liquid heat-transfer agent. EFFECT: enhanced range of variation of discharge parameters regardless of the ion source dimensions without overstepping the limits of temperatures. 3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области техники ионных источников и может быть использовано при проектировании ионных источников различного назначения, например, источников отрицательных ионов водорода. The invention relates to the field of technology of ion sources and can be used in the design of ion sources for various purposes, for example, sources of negative hydrogen ions.

Известные ионные источники [1] в которых поддерживание необходимой температуры разрядной камеры осуществляется с помощью водяного охлаждения, однако такие источники работают устойчиво только с газообразными рабочими телами. Known ion sources [1] in which the required temperature of the discharge chamber is maintained using water cooling, however, such sources work stably only with gaseous working fluids.

Известен ионный источник прототип [2] предназначенный для работы на смеси газообразного рабочего тела (водород) с конденсирующимся рабочим телом (цезий). Стабилизация его теплового режима в требуемом диапазоне (300^o - 500^oC) осуществляется за счет радиационного сброса тепла.Known ion source prototype [2] designed to work on a mixture of a gaseous working fluid (hydrogen) with a condensing working fluid (cesium). The stabilization of its thermal regime in the required range (300 ^o - 500 ^o C) is carried out due to radiation heat loss.

Однако в этом случае сброс тепла осуществляется только с наружной поверхности источника и допустимый диапазон изменения параметров разряда оказывается связанным с размерами источника, что создает трудности при проектировании источников и их эксплуатации. However, in this case, heat is released only from the outer surface of the source and the permissible range of variation of the discharge parameters is related to the size of the source, which creates difficulties in the design of the sources and their operation.

Техническим результатом изобретения является возможность глубокого изменения параметров разряда вне связи с размерами ионного источника. The technical result of the invention is the possibility of deep changes in the parameters of the discharge, regardless of the size of the ion source.

Этот результат достигается тем, что теплоизлучающие элементы собраны с промежутками, в которых располагаются элементы, поглощающие тепло, причем теплоизлучающие элементы находятся в тепловом контакте с источником, а элементы, поглощающие тепло, охлаждают жидким теплоносителем. This result is achieved in that the heat-emitting elements are assembled at intervals in which the heat-absorbing elements are located, the heat-radiating elements being in thermal contact with the source, and the heat-absorbing elements are cooled by a liquid heat carrier.

Система элементов, поглощающих тепло, выполнена подвижной относительно теплоизлучающих элементов и имеет приводное устройство. Система теплоизлучающих элементов и система элементов, поглощающих тепло, выполнены в виде металлических концентрических цилиндров, причем элементы, поглощающие тепло, имеют возможность осевого перемещения. В качестве приводного устройства выбраны биметаллические пластины. The system of elements that absorb heat is made movable relative to heat-emitting elements and has a drive device. The system of heat-emitting elements and the system of elements that absorb heat are made in the form of metal concentric cylinders, and the elements that absorb heat have the possibility of axial movement. As a drive device selected bimetal plates.

Эффективность передачи тепла от ионного источника к охлаждающей жидкости (воде) сильно связана с температурой (передаваемая с единицы поверхности мощность пропорциональна четвертой степени температуры закон Стефана - Больцмана), поэтому при возрастании мощности разряда эффективность теплообмена увеличивается и температура разрядной камеры ионного источника растет только как корень четвертой степени из мощности. The efficiency of heat transfer from an ion source to a cooling liquid (water) is strongly related to temperature (the power transferred from a surface unit is proportional to the fourth degree of temperature by the Stefan-Boltzmann law), therefore, with an increase in the discharge power, the heat transfer efficiency increases and the temperature of the discharge chamber of the ion source increases only as a root fourth degree of power.

Изменение температуры ионного источника при изменении мощности разряда станет меньше, если при увеличении температуры ионного источника элементы, поглощающие тепло, глубже вдвигать в промежутки между теплоизлучающими элементами, увеличивая тем самым эффективную площадь поверхности теплообмена. В качестве приводного устройства удобно использовать биметаллические пластины потому, что они для работы не требуют дополнительного подвода энергии, являясь одновременно датчиками температуры. The change in the temperature of the ion source with a change in the discharge power will become smaller if, with increasing temperature of the ion source, the heat absorbing elements are pushed deeper into the gaps between the heat-emitting elements, thereby increasing the effective heat transfer surface area. It is convenient to use bimetallic plates as a drive device because they do not require additional energy supply for operation, being simultaneously temperature sensors.

На чертеже приведена конструктивная схема такого устройства. Она содержит ионный источник 1, теплоизлучающие элементы 2, элементы 3, поглощающие тепло, приводное устройство 4 и трубку 5 с охлаждающей жидкостью (водой). The drawing shows a structural diagram of such a device. It contains an ion source 1, heat-radiating elements 2, heat absorbing elements 3, a drive unit 4 and a tube 5 with a cooling liquid (water).

Теплоизлучающие элементы 2 расположены непосредственно на ионном источнике 1 и находятся с ним в тепловом контакте, например, припаяны. В промежутках теплоизлучающих элементов 2 находятся элементы 3, поглощающие тепло, припаянные к трубке 5 с охлаждающей жидкостью. Элементы 3, поглощающие тепло, соединены с приводным устройством 4, в качестве которого используются биметаллические пластины. The heat-emitting elements 2 are located directly on the ion source 1 and are in thermal contact with it, for example, soldered. In the gaps of the heat-emitting elements 2 are elements 3, absorbing heat, soldered to the pipe 5 with a coolant. The heat absorbing elements 3 are connected to a drive unit 4, which uses bimetallic plates.

Устройство работает следующим образом: при увеличении мощности в разряде и соответствующем увеличении температуры ионного источника 1 возрастает эффективность передачи тепла орт теплоизлучающих элементов 2 к элементам 3, поглощающим тепло, пропорционально четвертой степени температуры. Это приводит к тому, что температура ионного источника 1 и излучающих элементов 2 растет слабо, пропорционально корню четвертой степени температуры. Кроме того, пластины 3, поглощающие тепло, с помощью приводного устройства 4 из биметаллических пластин вдвигаются в промежутки между теплоизлучающими элементами 2, увеличивая площадь поверхности теплообмена, что также уменьшает рост температуры ионного источника 1. The device operates as follows: with an increase in the discharge power and a corresponding increase in the temperature of the ion source 1, the heat transfer efficiency of the heat-emitting elements 2 to the heat absorbing elements 3 increases in proportion to the fourth power of the temperature. This leads to the fact that the temperature of the ion source 1 and radiating elements 2 grows weakly, in proportion to the root of the fourth degree of temperature. In addition, the heat absorbing plates 3 are moved into the spaces between the heat-emitting elements 2 by means of a drive device 4 of bimetallic plates, increasing the heat exchange surface area, which also reduces the temperature rise of the ion source 1.

При уменьшении мощности в разряде ионного источника процесс идет в противоположном направлении. When the power in the discharge of the ion source decreases, the process goes in the opposite direction.

Для источника отрицательных ионов водорода [3] в качестве рабочего тела используется смесь водорода со щелочным металлом (цезием). Диапазон его рабочих температур от 300^o до 500^oC. При радиационном сбросе тепла с наружной поверхности источника допустимый диапазон изменения мощности разряда 15 45 Вт. При принудительном охлаждении водой отдельных элементов конструкции источника мощность разряда может быть увеличена до 300 400 Вт, однако это значительно усложняет конструкцию источника и не увеличивает допустимый относительный диапазон изменения мощности.For a source of negative hydrogen ions [3], a mixture of hydrogen with an alkali metal (cesium) is used as a working medium. The range of its operating temperatures is from 300 ^o to 500 ^o C. When radiating heat from the outer surface of the source, the permissible range of discharge power is 15 45 W. With forced cooling by water of individual elements of the source structure, the discharge power can be increased to 300 400 W, however, this significantly complicates the source design and does not increase the allowable relative range of power changes.

Использование предлагаемого технического решения путем размещения на внешней поверхности источника [3] системы концентрических металлических цилиндров общей площадью 3170 см² (9 шт. диаметром от 120 до 160 мм и длиной 40 мм каждый), в промежутках между которыми помещены перемещаемые в осевом направлении металлические концентрические цилиндры, охлаждаемые водой, позволит изменять мощность в разряде от 20 до 250 Вт, то есть в 12,5 раз, не выходя из диапазона допустимых температур.Using the proposed technical solution by placing on the outer surface of the source [3] a system of concentric metal cylinders with a total area of 3170 cm ² (9 pieces with a diameter of 120 to 160 mm and a length of 40 mm each), in the spaces between which are placed axially displaceable metal concentric water-cooled cylinders will allow you to change the power in the discharge from 20 to 250 watts, that is, 12.5 times, without leaving the range of permissible temperatures.

При необходимости диапазон устойчивой работы данного источника может быть еще увеличен. If necessary, the range of stable operation of this source can be further increased.

Приведенные оценки показывают, что за счет применения данного технического решения допустимый диапазон изменения параметров разряда может быть увеличен в несколько раз (до десяти) по сравнению с традиционными методами. The above estimates show that due to the application of this technical solution, the permissible range of variation of the discharge parameters can be increased several times (up to ten) compared to traditional methods.

Claims

1. A device for stabilizing the thermal regime of an ion source, comprising a system of heat-emitting elements configured to heat contact with an ion source, and a system of elements that absorb heat, characterized in that the system of heat-absorbing elements located in the spaces between the fuel elements and having the ability to cool liquid heat carrier is made with the possibility of movement relative to the heat-emitting elements and has a drive device.

2. The device according to claim 1, characterized in that the system of heat-emitting elements and the system of elements that absorb heat are made in the form of metal concentric cylinders.

3. The device according to claim 1, characterized in that bimetallic plates are selected as the drive device.