18 Изобретение относитс к области ускорителей и инжекторов ионов, а так же электроракетньк (ионных) двигатеiieft с газоразр дными источниками ионов и может быть использовано в ионно-лучевой технологии, космической технике, при разработке установок тер мо дерногр синтеза. Известен газоразр дный источник ионов, нос щий название ионного двигател Кауфмана. В этом источнике ионизаци рабоче .го вещества осуществл етс в разр де Пеннинга с однородным аксиальным магнитным полем, создаваемь1м соленоидом с прот женным анодом и гор чим катодом , Извлечение, формирование и ускорение ионного пучка производитс с помощью многоаппертурной ионно-оптической системы. Известному источнику присущи недостатки , св занные с высокими энергетическими затратами на ионизацию и неоднородным распределением плотности ионного тока на -вькоде из источника . . Совершенствование источника ионов данно1о типа пшо IJO нескольким направ лени м, наиболее плодотворное из кото рых св зано с организацией удержани , газоразр дной плазмы в объеме камеры Известен, например, газоразр дный источник ионов, магнитное поле в котором создаетс с помощью продольных намагниченных в поперечном направлении магнитов, расположенных равномерно по окружности с наружной стороны газоразр дной камеры с последовательным чередованием полюсов. . При такой магнитной системе вблизи боковой стенки источника образуетс область быстро спадающего к оси магнитного пол . Электроны в этой облас ти замагничены и их дрейф на стенку затруднен.. Недостатком данного источника вл етс невозможность эффективного удержанн ионного компонента плазмы, что приводит к дополнительным затратам энергии на повторную ионизацию прорекомбинировавших на стенке ионов. . Частично этот.недостаток устранен в источнике ионов с магнитно-электростатическим удержанием плазмы, которьй вл етс ближайпшм техническим решением. 2 Известный источник содержит газоразр дную камеру, ограниченную боковой , задней торцевой стенками и антикатодом с отверсти ми дл извлечени ионов, внутри которой установлены термокатод, анод и кольцевые, намагниченные в радиальном направлении магниты , расположенные вдоль боковой стенки камеры с последовательным че- редованием полюсов, основной источник питани разр да, отрицательный полюс которого соединен с катодом, а положительный - с анодом, а также дополнительный источник питани , отрицательный полюс которого соединен с анодом. В известном источнике посто нные магниты введены внутрь газоразр дной камеры и электрически соединены с боковой стенкой камеры, наход щей-. с под потенциалом катода. Кроме того в. разр д, кроме основного анода, введены еще дополнительные (пристеночные ) аноды, установленные в промежутках между полюсами магнитов. Положительный полюс дополнительного источника соединен с указанньими пристеночными анодами. Таким образом, крр-: ме основного разр да в пристеночной области газоразр дной камеры осуществл етс несамосто тельный разр д в скрещенных Е х В пол х. В процессе работы источника газоразр дна плазма в основном объеме источника поддерживаетс под потенциалом , близким к потендаалу основного анода. Потенциал же дополнительных анодов с помощью дополнительного источника питани и в силу известных физических закономерностей, присущих несамосто тельному разр ду в пристеночной области к амеры, поддерживаетс на 4-6 в вьше потенциала плазмы основного разр да. За счет указанного скачка потенциала обеспечивают эффективное удержание конов при одновременной замагниченности электронов. Недостатлсом известного источника вл етс необходимость затраты мощности на поддержание пристеночного разр да,.что ограничивает возможности дальнейшего повьшени его энергоэкон-омичности . Необходимость введени дополнительных анодов усложн ет конструкцию источника. Целью изобретени вл етс упрощение конструкции. 381 Цель эта достигаетс тем., что магниты изолированы от боковой стенки и электрически соединены с положительным полюсом дополнительного источника питани .. Кроме того, анод выполнен в виде кольца, охватывающего катод и .установлен параллельно задней торцовой стенке камеры, преимущественно в закатодной области камеры. На чертеже схематично изображен источник ионов и схема его питани , Источник содержит газоразр дную камеру, в которой установлены термокатод f например типа полого катода, анод 2, посто нные магниты 3, В источниках большого размера может установлено несколько катодов. Тип катода выбирают в зависимости от рода рабочего вещества. Газоразр дна камера ограничена цилиндрической боКОБОЙ и задней торцовой стенками, а также антикатодом 4с отверсти ми дл извлечени ионов. Ионный пучок формируетс ионно-оптйческой системой , содержащей ускор ющий 5 и кольцевой замедл ющий 6 электроды. Магнитное поле в пристеночной зоне образуетс магнитами 3, а в прикатодной области - магнитной системой 7, выполт ненной, например, в виде соленоида. Катод 1 и анод 2 запитываютс от основного источн.ика 8 питани . Отрицательный полюс дополнительного источника 9 подключен к аноду 2, а полозки- , тельный -, к магнитам 3. Дл осуществ- лени такой электрической св зи магвиты 3 изолированы от боковой стенки, Источник ионов работает следующим . образом. Рабочее вещество подаетс через польй катод 1 и в камеру через систему подачи (на чертеже не показана ) . При подаче напр жени с основного источника 8 пор дка 15- 30 В ( в зависимости от рода рабочего вещества ) зажигаетс разр д. Электроны эмиттирувмые катодом (первичные электроны ), ионизируют рабочее вещество и нагревают образовавшиес в результате ионизации электроны плазмы (вторичные электроны). Ток первичных электронбв и их энерги рехулируютс величиной расхода газа через катод 1 и напр жением разр да,, что позвол ет выбрать оцтимальный с точки зрени энергозатр ат режим работы источника, Уровень энергозатрат и газова экономичность источника во многом опреде64 л етс величинойпотока ионов и электронов на боковую стенку камеры. Б flaH- ном источнике магниты 3 создают вблизи боковой стенки знакопеременное магнитное поле, в котором электроны замагничены, что затрудн ет их дрейф на боковую стенку. Поддержание положительного потенциала на магнитах относительно плазмы (потенциал плазмы близок к потенциалу анода 2 в силу известньпс физических закономерностей) приводит к .возникновению радиального направленного к оси электрического пол перпендикул рного пристеночному магнитному полю. Известно, что такое электрическое поле может существовать только в услови х .замкнутого азимутального дрейфа электронов. Это условие выполн етс в данной конструкции за счет кольцевой формы магнитов . .Указанное электрическое поле обеспечивает удержание ионов в объеме ГРК. Дп электронов имеютс каналы утечки на полюса пристеночных маг-нитов 3. Однако из теоретических работ и5вестно , что ширина этих каналов составл ет пор дка ларморовскохо диаметPs электронов. С учетом этого плот ость электронного тока на полюса, обратно пропорциональна величине магнитного пол В. При В 10 Т энерге- . тические затраты на поддержание электройного тока в цепи: анод-магниты малы по отношению к затратам на ионизацию . По сравнению с известным источником поток ионов на боковую стенку снижен за счет того, что в известном источнике имеютс каналы утечек ионов на полюса магнитов, а в данной конструкции они отсутствуют. Таким образом , затраты мощности на поддержание пристеночного разр да исключены, дополнительного источника питани определ етс током утечек электроков . Дл того, чтобы снизить поток ионов на заднюю стенку целесообразно анод 2 основного разр да выполн ть в виде кольца, расположенного вблизи задней торцовой стенки. Это и предопредел ет положительный эффект изоб.ретени , . . В экспериментах исследовалась модель источника с кольцевыми магнитами из сплава ЮНДК, При рассто нии между полюсами 12 мм магнитное поле составл ло 2i10T, При работе на цезии18 The invention relates to the field of accelerators and ion injectors, as well as electric propulsion (ion) engines with gas-discharge ion sources and can be used in ion-beam technology, space technology, in the development of thermo-synthesis systems. A gas-discharge ion source known as the Kaufman ion engine is known. In this source, the working substance is ionized in the Penning discharge with a uniform axial magnetic field created by a coil with an extended anode and a hot cathode. The extraction, formation and acceleration of the ion beam is performed using a multi-aperture ion-optical system. The known source has inherent disadvantages associated with high energy costs for ionization and inhomogeneous distribution of the ion current density in the code from the source. . Improving the ion source of this type of psho IJO in several directions, the most fruitful of which is associated with the organization of confinement, gas-discharge plasma in the chamber volume. For example, a gas-discharge ion source is known, the magnetic field in which is created by longitudinal magnetized in the transverse direction. magnets located evenly around the circumference from the outer side of the gas discharge chamber with successive alternation of poles. . With such a magnetic system, an area of a magnetic field rapidly falling to the axis forms near the source side wall. The electrons in this region are magnetized and their drift to the wall is difficult. The disadvantage of this source is the impossibility of effectively retaining the ion component of the plasma, which leads to additional energy costs for re-ionization of the ions recombined on the wall. . In part, this deficiency is eliminated in the ion source with a magnetically-electrostatic plasma confinement, which is the closest technical solution. 2 The known source contains a gas-discharging chamber bounded by the side, rear end walls and anticathode with holes for ion extraction, inside of which a thermal cathode, anode and annular magnets radially magnetized along the side wall of the chamber with sequential alternation of poles are mounted. the main power source of the discharge, the negative pole of which is connected to the cathode, and the positive one to the anode, as well as an additional power source, the negative pole of which is connected to the anode ohm In a known source, permanent magnets are inserted inside the gas discharge chamber and electrically connected to the side wall of the chamber, which is located. with under the potential of the cathode. Besides, in. besides the main anode, additional (near-wall) anodes, installed in the intervals between the poles of the magnets, were introduced. The positive pole of the additional source is connected to the indicated near-wall anodes. Thus, the crr-: the main discharge in the near-wall region of the gas-discharge chamber is performed by a non-self-sustained discharge in the crossed E x H fields. During the operation of the gas discharge source, the plasma in the main volume of the source is maintained at a potential close to the potential of the main anode. The potential of additional anodes with the help of an additional power source and by virtue of the well-known physical regularities inherent in the non-self-sustained discharge in the near-wall region to amers, is maintained 4-6 times higher than the potential of the main discharge plasma. Due to the indicated potential jump, they are effectively retained while electrons are magnetized simultaneously. A disadvantage of the known source is the need for power consumption for maintaining the near-wall discharge, which limits the possibilities of further increasing its energy-efficiency. The need to add additional anodes complicates the design of the source. The aim of the invention is to simplify the design. 381 This goal is achieved by the fact that the magnets are isolated from the side wall and electrically connected to the positive pole of the additional power source. In addition, the anode is made in the form of a ring covering the cathode and is installed parallel to the rear end wall of the chamber, mainly in the upsetting region of the chamber. The drawing shows schematically an ion source and its power supply circuit. The source contains a gas discharge chamber in which a thermal cathode f is installed, for example, a hollow cathode type, anode 2, permanent magnets 3, Several cathodes can be installed in large-sized sources. The type of cathode is chosen depending on the type of working substance. The gas discharge chamber is bounded by a cylindrical side and rear end walls, as well as an anticathode 4 with holes for extracting ions. The ion beam is formed by an ion-optic system containing accelerating 5 and ringing retarding 6 electrodes. The magnetic field in the near-wall zone is formed by the magnets 3, and in the cathode region by the magnetic system 7, performed, for example, in the form of a solenoid. Cathode 1 and anode 2 are powered from the main power supply source 8. The negative pole of the additional source 9 is connected to the anode 2, and the polo-pole, the body pole, is connected to the magnets 3. To make such an electrical connection, the magvites 3 are isolated from the side wall. The ion source works as follows. in a way. The working substance is fed through the cathode 1 into the chamber and into the chamber through the feed system (not shown). When voltage is applied from the main source, 8 on the order of 15-30 V (depending on the type of working substance), the discharge is ignited. Electrons emitted by the cathode (primary electrons) ionize the working substance and heat the plasma electrons (secondary electrons) formed as a result of ionization. The primary electron current and their energy are rehullable by the gas flow rate through the cathode 1 and the discharge voltage, which makes it possible to choose the optimal operating mode of the source, the level of energy consumption and the gas economy of the source is largely determined by the value of the ion and electron flux side wall of the chamber. In a flare source, the magnets 3 create near the side wall an alternating magnetic field in which the electrons are magnetized, which makes it difficult to drift to the side wall. Maintaining a positive potential on the magnets relative to the plasma (the potential of the plasma is close to the potential of the anode 2 due to the known physical laws) leads to the appearance of a radial electric field directed to the axis perpendicular to the near-surface magnetic field. It is known that such an electric field can exist only under the conditions of a closed azimuthal drift of electrons. This condition is fulfilled in this construction by the annular shape of the magnets. . The specified electric field ensures the retention of ions in the volume of the GDK. Dp electrons have leakage channels at the poles of the wall magnet 3. However, from theoretical studies and 5 it is known that the width of these channels is in the order of Larmor Ps electron diameter. With this in mind, the density of the electron current at the poles is inversely proportional to the magnitude of the magnetic field B. At B 10 T energy. tical costs of maintaining the electrical current in the circuit: anode magnets are small relative to the cost of ionization. In comparison with the known source, the ion flux on the side wall is reduced due to the fact that in a known source there are ion leakage channels at the poles of the magnets, and in this design they are absent. Thus, the cost of power to maintain the near-wall discharge is excluded, an additional power source is determined by the leakage current of the electric current. In order to reduce the flow of ions to the back wall, it is advisable to make the anode 2 of the main discharge in the form of a ring located near the rear end wall. This determines the positive effect of the invention,. . In the experiments, a source model with ring magnets made from an UNDK alloy was investigated. At a distance between the poles of 12 mm, the magnetic field was 2i10T. When working on cesium
818366 .6818366 .6
удельные энергетические затраты (от- вестном источнике. Изобретение позвоношение мощности в разр де к ионному л ет снизить удельные энергозатраты току пучка) не превышали 90 эВ/ион, в источнике на 10-12% при одноврёменчто на 10-12% ниже энергозатрат в из- ном упрощении конструкции источникаThe specific energy costs (the source of which is known. The invention of the vertex power in the discharge to the ionic energy to reduce the specific energy consumption of the beam current) did not exceed 90 eV / ion, at the source by 10–12% at a time 10–12% lower than the energy consumption in - nom simplified source design