Ионный диод с магнитной самоизоляцией

Изобретение относится к ускорительной технике и предназначено для получения мощных пучков заряженных частиц. Технический результат заключается в повышении эффективности генерации мощного ионного пучка. Ионный диод с магнитной самоизоляцией содержит потенциальный электрод, выполненный в виде плоского диска, и полосковый заземленный электрод, который изогнут в продольном направлении по спирали Архимеда, лежащей в плоскости, параллельной потенциальному электроду. Длина заземленного электрода L выбирается из условия Lдрион, а расстояние между соседними витками заземленного электрода h выбирается из условия h2 плимп,где др - скорость дрейфа электронов в анод-катодном зазоре ионного диода; ион - время ускорения ионов в анод-катодном зазоре диода; пл - скорость расширения взрывоэмиссионной плазмы на заземленном электроде; имп - длительность второго импульса напряжения, приложенного к потенциальному электроду.(71)(73) Заявитель и патентовладелец: ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ"НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ" (ФГБОУ ВПО НИ ТПУ) (RU) Изобретение относится к ускорительной технике и предназначено для получения мощных пучков заряженных частиц, которые используются для радиационно-пучкового модифицирования изделий из металлов с целью повышения их эксплуатационных характеристик. Известны диоды с внешней магнитной изоляцией, предназначенные для генерации импульсных мощных ионных пучков (МИП) [Быстрицкий В.М., Диденко А.Н. Мощные ионные пучки. - М.: Энергоатомиздат, 1984, 152 с.], состоящие из анода, катода и источника внешнего магнитного поля. МИП формируется путем прямого ускорения ионов из плазмы, образованной на поверхности анода при импульсном пробое по поверхности диэлектрических вставок или при инжекции плазмы в прианодную область от внешнего плазменного источника. Недостатком известного устройства является ограниченный ресурс работы. Кроме того, в таких источниках можно получать пучки с ограниченным типом ионов, определяемым диэлектриком. Диоды с инжекцией плазмы от внешнего плазменного источника принципиально позволяют получать ионные пучки различного состава, но сложны в реализации, поскольку на аноде диода требуется создать достаточно однородные слои плазмы плотностью более 1014 см-3 с возможностью изменять состав плазмы. Дополнительный источник напряжения для создания магнитного поля в диоде,системы синхронизации и ввода плазмы в зазор усложняют конструкцию ионного диода, снижают надежность и эффективность генерации МИП. Наиболее близким к предлагаемому устройству является выбранный нами за прототип полосковый ионный диод с магнитной самоизоляцией [Remnev G.E., Isakov I.F. et al., High-power Ion Sources for Industrial Application// Surf, and Coatings Technol., 1997, vol. 96, p. 103-109]. Полосковый ионный диод с магнитной самоизоляцией состоит из потенциального электрода и заземленного электрода, соединенного с корпусом камеры с одной стороны. Потенциальный электрод изготовлен из графита размером 224,5 см и толщиной 4 см, заземленный электрод - из нержавеющей стали размером 284,5 см с прорезями 0,45 см, прозрачность 60%. Для создания плотной плазмы необходимого состава на поверхности потенциального электрода диода используется явление взрывной электронной эмиссии. Поперечное магнитное поле в анод-катодном зазоре формируется собственным током диода при протекании по электродам. В этой конструкции диода дополнительный источник магнитного поля, система синхронизации и ввода плазмы в зазор не требуются, что значительно упрощает конструкцию генератора МИП. Ионный диод с магнитной самоизоляцией работает следующим образом. От генератора наносекундных импульсов к потенциальному электроду ионного диода прикладываются сдвоенные разнополярные импульсы - первый отрицательный и второй положительный. В течение первого импульса на поверхности потенциального электрода диода образуется взрывоэмиссионная плазма. В течение второго импульса из взрывоэмиссионной плазмы эмитируют ионы, которые ускоряются в анод-катодном зазоре. Через прорези в заземленном электроде основная часть ионов проходит в область транспортировки МИП. В течение генерации ионного пучка (второй импульс) электроны эмитируют с поверхности заземленного электрода и далее дрейфуют вдоль его поверхности от точки заземления к свободному концу электрода. Схема движения электронов на втором импульсе показана на фиг. 1. Недостатком устройства-прототипа является низкая эффективность передачи энергии от генератора наносекундных импульсов в энергию мощного ионного пучка. Основная часть энергии генератора расходуется на ускорение электронов в анод-катодном зазоре ионного диода. Потери энергии достигают 9495%. Подавление электронной компоненты полного тока в диоде с магнитной изоляцией (внешней или самоизоляцией) обеспечивается за счет увеличения времени пребывания электронов в анод-катодном зазоре. Если в течение всего импульса ускоряющего напряжения электроны дрейфуют вдоль поверхности анода (перпендикулярно линиям электрического поля), то энергия наносекундного генератора будет использована в основном для ускорения ионов. Для эффективного подавления электронного тока необходимо уменьшать скорость дрейфа электронов или увеличивать длину диода. Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении эффективности генерации мощного ионного пучка. Экспериментально нами получено увеличение эффективности генерации МИП от 5 до 20%. Технический результат достигается тем, что в ионном диоде с магнитной самоизоляцией, состоящем из потенциального электрода и полоскового заземленного электрода, соединенного с корпусом камеры с одной стороны, согласно предложенному решению потенциальный электрод выполнен в виде плоского диска, полосковый заземленный электрод изогнут в продольном направлении по спирали Архимеда, лежащей в плоскости, параллельной потенциальному электроду, и соединен с корпусом диодной камеры с внешнего конца, при этом длина заземленного электрода L выбирается из условия где др - скорость дрейфа электронов в анод-катодном зазоре ионного диода; ион - время ускорения ионов в анод-катодном зазоре диода,а расстояние между соседними витками заземленного электрода h выбирается из условия где пл - скорость расширения взрывоэмиссионной плазмы на заземленном электроде; имп - длительность второго импульса напряжения, приложенного к потенциальному электроду. Изобретение поясняется графическими материалами. Фиг. 1 - схема движения электронов в ионном диоде, где обозначено: 1 - потенциальный электрод,2 - заземленной электрод, 3 - поток электронов в зазоре, 4 - магнитное поле в зазоре; фиг. 2 - пример выполнения конструкции спирального ионного диода с магнитной самоизоляцией,где: 1 - потенциальный электрод, 2 - заземленный электрод, 5 - начало диода, 6 - конец диода, 7 - точка заземления; фиг. 3 - сечение А-А фиг. 2; фиг. 4 - зависимость энергии МИП от энергии, подводимой к диоду в течение генерации ионного пучка в диоде по заявляемой конструкции (точки 8) и полосковом диоде по прототипу (точки 9), кривая 10 - эффективность генерации 20%, кривая 11 - эффективность генерации 5,4%; фиг. 5 - осциллограмма ускоряющего напряжения 12 и изменение дрейфовой скорости электронов 13 в течение генерации ионного пучка; фиг. 6 - осциллограмма ускоряющего напряжения 14, продолжительность нахождения ионов С+ 15,протонов 16 и электронов 17 в анод-катодном зазоре. Ионный диод с магнитной самоизоляцией (фиг. 2) содержит потенциальный электрод 1, выполненный в виде плоского диска, и заземленный электрод 2, выполненный спиральным, т.е. изогнут в продольном направлении по спирали Архимеда, лежащей в плоскости, параллельной потенциальному электроду. Заземленный электрод 2 соединен с корпусом диодной камеры только с внешнего конца спирали в точке заземления 7. В ионном диоде с магнитной самоизоляцией (фиг. 2) для обеспечения снижения электронной компоненты полного тока необходимо, чтобы время пребывания электронов в анод-катодном зазоре было больше времени ускорения ионов, что выполняется, если длина спирального полоскового заземленного электрода 2 выбирается из условия Lдрион. В диоде в течение генерации ионного пучка на заземленном электроде образуется взрывоэмисионная плазма, которая может перемкнуть соседние витки и нарушить дрейф электронов в анод-катодном зазоре. Поэтому расстояние между соседними витками спирального полоскового заземленного электрода выбирается из условия h2 плимп. Ионный диод с магнитной самоизоляцией работает следующим образом. От генератора наносекундных импульсов к потенциальному электроду 1 (фиг. 1-3) ионного диода прикладываются сдвоенные разнополярные импульсы - первый отрицательный (300-500 нс, 100-150 кВ) и второй положительный(150 нс, 250-300 кВ). В течение первого импульса на поверхности графитового потенциального электрода 1 образуется взрывоэмиссионная плазма. В течение второго импульса из взрывоэмиссионной плазмы потенциального электрода 1 эмитируют ионы, которые ускоряются в анод-катодном зазоре. Затем основная часть ионов проходит в область транспортировки МИП. В течение генерации ионного пучка (второй импульс) электроны 3 (фиг. 1) эмитируют с поверхности заземленного электрода 2 (фиг. 1-3). При этом электроны движутся по заземленному электроду 2 от точки заземления к точке эмиссии, формируя магнитное поле 4 (фиг. 1) в зазоре, вектор магнитной индукции которого перпендикулярен вектору напряженности электрического поля. В скрещенных электрическом и магнитном полях под действием силы Лоренца последующие электроны меняют направление движения от поперечного (с заземленного электрода 2 к потенциальному 1) к продольному вдоль поверхности заземленного электрода 2 от начала диода 5 к концу диода 6 (фиг. 2). Пример конкретного выполнения. Потенциальный электрод 1 был выполнен из графита в виде плоского диска диаметром 230 мм, высотой 40 мм. Заземленный электрод 2 был выполнен из полоски нержавеющей стали толщиной 2 мм, шириной 4 см и длиной 170 см, изогнутой в продольном направлении по спирали Архимеда, с шагом спирали 10 мм. Состав пучка - ионы углерода (80%) и протоны. Скорость дрейфа электронов в течение генерации МИП в примере конкретного выполнения составляла 9-11 см/нс (фиг. 5). При длине заземленного электрода 170 см среднее время дрейфа электронов (время дрейфа электронов из середины диода) равно 8-9 нс. Время ускорения ионов углерода составило 6 нс, время ускорения протонов - 1,6 нс (фиг. 6). При длине заземленного электрода 170 см условие Lдрион выполнялось. Скорость расширения взрывоэмиссионной плазмы на поверхности заземленного электрода 2 составила 1,3 см/мкс и в течение второго импульса зазор между витками заземленного электрода 2 уменьшился на 4 мм, что меньше выбранного шага спирали. На фиг. 4 показана зависимость энергии МИП в ионном диоде с магнитной самоизоляцией (по прототипу) и в ионном диоде с магнитной самоизоляцией со спиральным заземленным электродом 2 (по заявляемому устройству) от энергии, передаваемой в диод от наносекундного генератора, из которой видно, что эффективность генерации в заявляемом ионном диоде выше и составляет 20%. Таким образом, выполнение полоскового заземленного электрода 2 в виде спирали позволяет увеличить продолжительность дрейфа электронов, при этом энергия наносекундного генератора расходуется в основном на ускорение ионов, следовательно увеличивается эффективность генерации мощного ионного пучка. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Ионный диод с магнитной самоизоляцией, содержащий потенциальный электрод и полосковый заземленный электрод, соединенный с корпусом диодной камеры с одного конца, отличающийся тем, что потенциальный электрод выполнен в виде плоского диска, а полосковый заземленный электрод изогнут в продольном направлении по спирали Архимеда, лежащей в плоскости, параллельной потенциальному электроду, и соединен с корпусом диодной камеры с внешнего конца, при этом длина L спирального полоскового заземленного электрода и расстояние h между соседними витками его спирали соответствуют следующим выражениям:L2 дрион где др - скорость дрейфа электронов в анод-катодном зазоре ионного диода; ион - время ускорения ионов в анод-катодном зазоре где пл - скорость расширения взрывоэмиссионной плазмы на заземленном электроде; имп - длительность второго импульса напряжения, прикладываемого к потенциальному электроду,причем длительность имп и амплитуда второго импульса напряжения - постоянные величины, задаваемые генератором наносекундных импульсов.