RU2096854C1

RU2096854C1 - Ion gun

Info

Publication number: RU2096854C1
Application number: RU96113837A
Authority: RU
Inventors: В.М. Матвиенко; А.В. Потемкин
Original assignee: Инженерно-физический центр "Темп" Научно-исследовательского института ядерной физики
Priority date: 1996-07-09
Filing date: 1996-07-09
Publication date: 1997-11-20

Abstract

FIELD: pulse ion beam production technology. SUBSTANCE: ion gun makes it possible to produce beams of circular or rectangular section with high homogeneousness. Ion gun has cathode in the form of flat turn with holes open on one side. Open ends of turn are connected to current source. Flat anode with rounded faces and plasma forming sections positioned opposite cathode hole is installed inside cathode. In contrast to prototype, open ends of cathode are made in the form of opposite-pin combs. This type of cathode assembly connection to power supply source makes it possible to remove thin conducting screen from construction. EFFECT: reliability and long-time service. 1 dwg

Description

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для генерации ионных пучков. The invention relates to accelerator technology and can be used to generate ion beams.

Использование мощных ионных пучков для модификации материалов и изделий требует создание ионных пушек, обладающих большим ресурсом работы и стабильными параметрами генерируемого пучка. Выводимый пучок в большинстве случаев практического использования должен иметь или круговое сечение, или прямоугольное с близкими размерами сторон с максимально достижимой однородностью пучка по сечению. The use of powerful ion beams to modify materials and products requires the creation of ion cannons with a long service life and stable parameters of the generated beam. The output beam in most cases of practical use should have either a circular section or a rectangular one with close side sizes with the maximum achievable uniformity of the beam over the section.

Известно устройство, предназначенное для генерации однородного мощного ионного пучка ленточного сечения (авт.св. N 1275795; Быстрицкий В.М. Красик Я. Е. Матвиенко В.М. "Получение однородного ионного пучка большой площади в магнитно-изолированном диоде. " ЖТФ, 1987, т. 57, в. 3, с. 463 468.). Это устройство состоит из плоского виткового катода, размещенного в вакуумном корпусе. К разомкнутым концам виткового катода подключен импульсный источник тока. Катод и корпус устройства соединены полупроводниковыми диодами, равномерно расположенными вдоль катода. Анод располагается внутри катода и имеет плазмообразующее покрытие напротив отверстий в катоде. Между электродами катода со стороны подключения источника тока установлен тонкий проводящий экран, задающий распределение электрического поля в этом месте. A device is known for generating a uniform high-power ion beam of ribbon section (ed. St. N 1275795; Bystritsky V. M. Krasik Y. E. Matvienko V. M. "Obtaining a homogeneous large-area ion beam in a magnetically insulated diode." ZhTF , 1987, v. 57, v. 3, p. 463 468.). This device consists of a flat coil cathode housed in a vacuum housing. A pulsed current source is connected to the open ends of the coil cathode. The cathode and the casing of the device are connected by semiconductor diodes uniformly spaced along the cathode. The anode is located inside the cathode and has a plasma-forming coating opposite the holes in the cathode. A thin conductive screen is installed between the cathode electrodes on the side of the current source connection, which sets the distribution of the electric field in this place.

Недостатками устройства являются сложность и низкая надежность, связанные с использованием большого числа силовых полупроводниковых диодов, ресурс работы которых мал в случае реализации аварийного режима работы ионной пушки. Аварийный режим связан со срывом системы синхронизации и приходом высоковольтного импульса на анод при отсутствии изолирующего поля в анод-катодном зазоре. The disadvantages of the device are the complexity and low reliability associated with the use of a large number of power semiconductor diodes, the service life of which is small in case of emergency operation of the ion gun. The emergency mode is associated with the failure of the synchronization system and the arrival of a high voltage pulse to the anode in the absence of an insulating field in the anode-cathode gap.

Наиболее близкое к предлагаемому устройство по авт.св. N 1102474 "Ионная пушка" выбрано за прототип. Эта ионная пушка содержит катод, выполненный в виде разомкнутого с одного конца конуса плоского витка с отверстиями для вывода ионного пучка, и плоский анод, расположенный внутри катода и имеющий скругления на своих торцах. На аноде, напротив отверстий в катоде, располагаются плазмообразующие участки. К разомкнутым концам катода подключен источник тока и между этими же концами катода расположен тонкий проводящий экран, выполненный в виде полуцилиндра и имеющий электрический контакт с обоими концами катода. С помощью этого экрана задается цилиндрическая геометрия распределения электрического поля на этом участке ионной пушки и снижаются локальные потери электронов на анод в этом месте. Низкая механическая прочность и малая эрозионная стойкость тонкого экрана являются недостатком данного устройства и снижают ресурс непрерывной работы ионной пушки. Простое увеличение толщины экрана невозможно, поскольку в этом случае экран начинает существенно шунтировать источник тока и заметно искажать распределение магнитного поля вблизи себя. Closest to the proposed device by auth. N 1102474 "Ion gun" selected for the prototype. This ion gun contains a cathode made in the form of a flat coil open from one end of the cone with holes for outputting the ion beam, and a flat anode located inside the cathode and having fillets at its ends. On the anode, opposite the holes in the cathode, are plasma-forming sites. A current source is connected to the open ends of the cathode and a thin conductive screen is made between the same ends of the cathode, made in the form of a half cylinder and having electrical contact with both ends of the cathode. With the help of this screen, the cylindrical geometry of the distribution of the electric field in this section of the ion gun is set and local losses of electrons to the anode in this place are reduced. Low mechanical strength and low erosion resistance of a thin screen are a disadvantage of this device and reduce the lifetime of the ion gun. A simple increase in the thickness of the screen is impossible, since in this case the screen begins to substantially shunt the current source and noticeably distort the distribution of the magnetic field near itself.

Таким образом, остается актуальной задача создания ионной пушки с однородным электрическим и изолирующим магнитным полем в анод-катодном промежутке, обладающей высокой надежностью, стойкостью к аварийным режимам и большим ресурсом работы. Thus, the task of creating an ion gun with a uniform electric and insulating magnetic field in the anode-cathode gap, which has high reliability, resistance to emergency conditions and a long service life, remains relevant.

Для решения этой задачи ионная пушка, как и прототип, содержит катод в виде разомкнутого с одной стороны плоского витка с отверстиями, подключенный разомкнутыми концами к источнику тока, плоский со скруглениями на торцах анод, расположенный внутри катода и имеющий плазмообразующие участки напротив отверстий катода. В отличие от прототипа разомкнутые концы катода выполнены в виде двух встречно-направленных штыревых гребенок и расстояние между соседними штырями меньше анод-катодного зазора. To solve this problem, the ion gun, like the prototype, contains a cathode in the form of a flat coil with openings on one side, with open ends connected to a current source, a flat anode with rounding at the ends, located inside the cathode and having plasma-forming sections opposite the cathode holes. Unlike the prototype, the open ends of the cathode are made in the form of two counter-directed pin combs and the distance between adjacent pins is less than the anode-cathode gap.

Такое выполнение узла подключения катода к источнику тока позволяет получить в этом месте достаточно однородные электрические и магнитные поля без применения дополнительных экранов, которые снижают надежность работы ионной пушки. This embodiment of the node connecting the cathode to the current source allows you to get in this place quite homogeneous electric and magnetic fields without the use of additional screens, which reduce the reliability of the ion gun.

На чертеже приведена предлагаемая ионная пушка. The drawing shows the proposed ion gun.

Устройство содержит катод 1, выполненный в виде плоского витка с отверстиями 2 для вывода ионного пучка, плоский анод 3, выполненный со скруглениями на своих торцах и плазмообразующими участками 4, размещенными напротив отверстий в катоде, два встречно-направленных штыревых гребенчатых электрода 5, соединенных с разомкнутыми концами катода и охватывающих анод и источник тока 6, подключенный к концам гребенчатых электродов. The device comprises a cathode 1, made in the form of a flat coil with holes 2 for outputting the ion beam, a flat anode 3, made with fillets at its ends and plasma-forming sections 4, located opposite the holes in the cathode, two counter-directional pin comb electrodes 5 connected to open ends of the cathode and covering the anode and the current source 6 connected to the ends of the comb electrodes.

Устройство работает следующим образом. Включается источник тока 6, подключенный к концам гребенчатых электродов 5, и по катоду 1 протекает ток, создающий в анод-катодном зазоре изолирующее магнитное поле. Направление изолирующего тока по гребенчатым электродам совпадает, а толщина штыревых электродов и расстояние между соседними штырями выбираются из условия равенства магнитного поля в области штыревых электродов и остальной части виткового катода. Поскольку расстояние между соседними штырями значительно меньше анод-катодного зазора, локальные неоднородности магнитного поля в этой области малы и не оказывают заметного влияния на характеристики магнитной изоляции в целом. Неоднородности электрического поля на этом участке по той же причине также малы, поскольку провисание силовых линий поля в межштыревое пространство сказывается, в основном, до глубины, равной зазору между соседними штырями. The device operates as follows. A current source 6 is turned on, connected to the ends of the comb electrodes 5, and current flows through the cathode 1, which creates an insulating magnetic field in the anode-cathode gap. The direction of the insulating current along the comb electrodes coincides, and the thickness of the pin electrodes and the distance between adjacent pins are selected from the condition that the magnetic field is equal in the region of the pin electrodes and the rest of the coil cathode. Since the distance between adjacent pins is much smaller than the anode-cathode gap, the local inhomogeneities of the magnetic field in this region are small and do not significantly affect the characteristics of magnetic insulation as a whole. The inhomogeneities of the electric field in this section are also small for the same reason, since the sagging field lines in the inter-pin space affects mainly to a depth equal to the gap between adjacent pins.

В момент максимума магнитного поля на анод 3 от генератора высоковольтных импульсов подается импульс положительной полярности. Плотная плазма, образованная на плазмообразующих участках 4 поверхности анода, служит источником ускоряемых ионов. Ионы ускоряются в анод-катодном промежутке, проходят через отверстия 2 в катоде и транспортируются в закатодном пространстве. Если длина виткового катода соизмерима с его шириной, то влияние собственной индуктивности катода на работу ионной пушки может быть ослаблено и не возникнет необходимости в использовании шунтирующих элементов. At the maximum magnetic field at the anode 3 from the generator of high-voltage pulses a pulse of positive polarity is supplied. Dense plasma formed on the plasma-forming sections 4 of the surface of the anode serves as a source of accelerated ions. Ions are accelerated in the anode-cathode gap, pass through holes 2 in the cathode and are transported in the cathode space. If the length of the coil cathode is commensurate with its width, then the influence of the cathode's own inductance on the operation of the ion gun can be weakened and there will be no need to use shunt elements.

По сравнению с известными предлагаемое устройство не содержит элементов, способных приводить к снижению ресурса работы как в нормальном режиме, так и аварийных режимах работы ионной пушки. Значительно увеличивается надежность ионной пушки. Compared with the known, the proposed device does not contain elements that can lead to a decrease in the service life both in normal mode and in emergency operation of the ion gun. Significantly increases the reliability of the ion gun.

Claims

An ion gun containing a cathode made in the form of a flat coil open at one end with holes for the extraction of an ion beam, a flat anode located inside the cathode and made with fillets at the ends and plasma-forming sections located opposite the holes in the cathode, a current source connected to the open ends cathode, characterized in that the open ends of the cathode are made in the form of two opposite directional pin combs, while the distance between adjacent pins is less than the anode-cathode gap.