RU2686668C1 - Источник водородных ионов в режиме постоянного тока с осцилляцией электронов и холодным катодом в виде подвижной струны - Google Patents
Источник водородных ионов в режиме постоянного тока с осцилляцией электронов и холодным катодом в виде подвижной струны Download PDFInfo
- Publication number
- RU2686668C1 RU2686668C1 RU2018108006A RU2018108006A RU2686668C1 RU 2686668 C1 RU2686668 C1 RU 2686668C1 RU 2018108006 A RU2018108006 A RU 2018108006A RU 2018108006 A RU2018108006 A RU 2018108006A RU 2686668 C1 RU2686668 C1 RU 2686668C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cathode
- anode
- insulator
- string
- magnetic
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J3/00—Details of electron-optical or ion-optical arrangements or of ion traps common to two or more basic types of discharge tubes or lamps
- H01J3/04—Ion guns
Landscapes
- Electron Sources, Ion Sources (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области ускорительной техники. Сущность изобретения: использование струны из тугоплавкого металла диаметром 1 мм, связанной с механизмом перемещения по оси вакуумной камеры, что удовлетворяет условию получения пучка постоянного тока водородных ионов с током I=5×10-3 А при разрядном токе I=0,5 А, напряжении на разряде U=300 В. Выполнение анода в виде мягкого многослойного тонкостенного цилиндра из немагнитной фольги, а анодного изолятора в виде втулки позволяет исключить 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 позволяет защитить анодный изолятор от температурных деформаций. Технический результат - повышение стабильности работы. 1 ил.
Description
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 Iион=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.
Claims (1)
- Источник водородных ионов в режиме постоянного тока с осцилляцией электронов и с холодными катодом и антикатодом, состоящий 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, керамический 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, отличающийся тем, что в центре катода размещена струна из тугоплавкого металла диаметром 1 мм, при этом обеспечен автоматический ввод катодной струны, анодный изолятор выполнен в виде втулки, 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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018108006A RU2686668C1 (ru) | 2018-03-06 | 2018-03-06 | Источник водородных ионов в режиме постоянного тока с осцилляцией электронов и холодным катодом в виде подвижной струны |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018108006A RU2686668C1 (ru) | 2018-03-06 | 2018-03-06 | Источник водородных ионов в режиме постоянного тока с осцилляцией электронов и холодным катодом в виде подвижной струны |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2686668C1 true RU2686668C1 (ru) | 2019-04-30 |
Family
ID=66430454
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2018108006A RU2686668C1 (ru) | 2018-03-06 | 2018-03-06 | Источник водородных ионов в режиме постоянного тока с осцилляцией электронов и холодным катодом в виде подвижной струны |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2686668C1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2776866C1 (ru) * | 2021-11-16 | 2022-07-28 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Ионный источник водородных ионов в режиме постоянного тока с автоматическим перемещением катодной струны |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5675606A (en) * | 1995-03-20 | 1997-10-07 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Solenoid and monocusp ion source |
RU2249880C2 (ru) * | 2003-06-24 | 2005-04-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает государственный заказчик - Министерство Российской Федерации по Атомной Энергии | Импульсный источник водородных ионов со стержневым холодным катодом |
RU2308115C1 (ru) * | 2006-02-16 | 2007-10-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научный центр Российской Федерации Институт теоретической и экспериментальной физики им. А.И. Алиханова" | Источник постоянного тока водородных ионов |
JP2013196985A (ja) * | 2012-03-22 | 2013-09-30 | Sen Corp | イオン源装置及びイオンビーム生成方法 |
US20140166872A1 (en) * | 2012-12-19 | 2014-06-19 | Schlumberger Technology Corporation | Ion Source Employing Secondary Electron Generation |
-
2018
- 2018-03-06 RU RU2018108006A patent/RU2686668C1/ru active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5675606A (en) * | 1995-03-20 | 1997-10-07 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Solenoid and monocusp ion source |
RU2249880C2 (ru) * | 2003-06-24 | 2005-04-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает государственный заказчик - Министерство Российской Федерации по Атомной Энергии | Импульсный источник водородных ионов со стержневым холодным катодом |
RU2308115C1 (ru) * | 2006-02-16 | 2007-10-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научный центр Российской Федерации Институт теоретической и экспериментальной физики им. А.И. Алиханова" | Источник постоянного тока водородных ионов |
JP2013196985A (ja) * | 2012-03-22 | 2013-09-30 | Sen Corp | イオン源装置及びイオンビーム生成方法 |
US20140166872A1 (en) * | 2012-12-19 | 2014-06-19 | Schlumberger Technology Corporation | Ion Source Employing Secondary Electron Generation |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2776866C1 (ru) * | 2021-11-16 | 2022-07-28 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Ионный источник водородных ионов в режиме постоянного тока с автоматическим перемещением катодной струны |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US20160133426A1 (en) | Linear duoplasmatron | |
US10256067B1 (en) | Low voltage drop, cross-field, gas switch and method of operation | |
Gushenets et al. | Electrostatic plasma lens focusing of an intense electron beam in an electron source with a vacuum arc plasma cathode | |
US3315125A (en) | High-power ion and electron sources in cascade arrangement | |
Cothran et al. | Continuous and pulsed electron beam production from an uninterrupted plasma cathode | |
RU2686668C1 (ru) | Источник водородных ионов в режиме постоянного тока с осцилляцией электронов и холодным катодом в виде подвижной струны | |
Zelenski et al. | High-intensity polarized and un-polarized sources and injector developments at BNL Linac | |
RU2208871C1 (ru) | Плазменный источник электронов | |
RU2638954C2 (ru) | Коммутирующее сильноточное устройство | |
Burdovitsin et al. | A plasma-cathode electron source for focused-beam generation in the fore-pump pressure range | |
Yushkov et al. | A forevacuum plasma source of pulsed electron beams | |
KR101983294B1 (ko) | Bnct 가속기용 대전류 듀오플라즈마트론 이온원의 전극 구성과 그 장치 | |
RU2382118C1 (ru) | Вакуумно-дуговой источник плазмы | |
RU2308115C1 (ru) | Источник постоянного тока водородных ионов | |
RU2139646C1 (ru) | Плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов | |
RU2671960C1 (ru) | Импульсный источник водородных ионов с осцилляцией электронов в неоднородном продольном магнитном поле | |
RU159300U1 (ru) | Электронный источник с плазменным эмиттером | |
RU2586993C1 (ru) | Центробежный z-пинч | |
RU2249880C2 (ru) | Импульсный источник водородных ионов со стержневым холодным катодом | |
Ruess et al. | Choice of material composition for a high-performance inverted Magnetron Injection Gun | |
Chen et al. | RF H-minus ion source development in China spallation neutron source | |
RU2740146C1 (ru) | Ионный источник (ионная пушка) | |
RU1796777C (ru) | Стационарный плазменный двигатель | |
RU2426007C1 (ru) | Плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов | |
RU2761107C1 (ru) | Электронная пушка свч прибора |