Источник ионов

Полезная модель относится к устройствам для генерации импульсных потоков быстрых нейтронов, в частности к малогабаритным отпаянным ускорительным трубкам, и может быть использована в ускорительной технике или в геофизическом приборостроении, например, в импульсных генераторах нейтронов народно-хозяйственного назначения, предназначенных для исследования скважин методами импульсного нейтронного каротажа, а также к устройствам для генерации плазмы, конкретно к импульсным источникам ионов. Техническим результатом полезной модели является повышение стабильности и ресурса работы ионного источника за счет сохранения проводящей пленки на внутренней поверхности изолятора, разделяющего поджигающий электрод и катод, улучшения компонентного состава ионного пучка при удержании большей части металлической компоненты внутри квазизамкнутого объема источника ионов. Технический результат достигается тем, что в источнике ионов система электродов и изоляторов выполнена в виде квазизамкнутого объема с выходным отверстием в аноде с площадью не более 10% от суммарной площади анода, поджигающий электрод заглублен в щель между изоляторами, причем на катодный изолятор нанесено покрытие с сопротивлением 10⁴÷10 ⁷ Ом. Анод выполнен с конусной внутренней поверхностью. Между дисковым анодом и анодным изолятором выполнена кольцевая щель. Анодный изолятор выполнен рельефным. Покрытие катодного изолятора выполнено из кермета. 1 с.п.ф. 4 з.п.ф. 2 илл.

Полезная модель относится к устройствам для генерации плазмы, конкретно к импульсным источникам ионов для работы в составе вакуумных нейтронных трубок и может быть использована в ускорительной технике, в геофизическом приборостроении, например, в импульсных генераторах нейтронов, предназначенных для исследования скважин методами импульсного нейтронного каротажа.

Известен искровой трехэлектродный аксиально-симметричный источник ионов, содержащий цилиндрический катод, поджигающий электрод, расположенный на продольной оси источника отделенный от катода трубчатым керамическим изолятором, а также дисковый анод с центральным отверстием, размещенный на расстоянии 10 мм от торцевой поверхности катода. Катод выполнен из титана (или циркония) и насыщен дейтерием. Vasiliev А.А., Iosseliani D.D., Kushin V.V. et al., Experimental study of injector based on the spark source with titanium cathode saturated with hydrogen // Problems of atomic science and technology (2004) 1. Serie: Nuclear Physics Investigation (42), p. 83-85.

Известен источник ионов, содержащий катод и анод, насыщенные изотопами водорода, и электрод поджига, отделенный от катода керамическим изолятором. Патент Российской Федерации 2287197, G21G 4/02, 2006 г.

Известен источник ионов вакуумной нейтронной трубки, содержащий катод, анод, поджигающий электрод и постоянный магнит цилиндрической формы. Магнит использован для контроля движения катодных пятен и обеспечения более равномерной эрозии рабочей поверхности катода. Патент Российской Федерации 2316835, G21G 4/02, H05H 3/06, 2008 г.

Известен вакуумно-дуговой источник дейтронов, содержащий соосно расположенные кольцевые катод и анод, насыщенные дейтерием, разделенные кольцевым изолятором, ускоряющие электроды, соединенные с генератором импульсного высокого напряжения, мишень, насыщенную тяжелым изотопом водорода. Источник дейтронов содержит между катодом и анодом кольцевой электрод поджига. Патент Российской Федерации 2467526, МПК: H05H 5/00, 2012 г. Прототип.

Приведенные выше источники ионов дейтерия являются одновременно и источниками ионов, нейтральных атомов и микрокапельной фракции металла электродов - катода и анода. Металлическая компонента продуктов эрозии при выходе из источника ионов попадает в ускоряющий зазор нейтронной трубки. Это приводит к ухудшению электропрочности трубки в целом в силу запыления внутренней поверхности ее диэлектрического корпуса нейтральными атомами и микрокаплями металла. Вызывает дополнительную эрозию мишени трубки ионами металла и/или запыление мишени, что ведет к снижению нейтронного выхода. Повышает нагрузку на импульсные трансформаторы, формирующие ускоряющий импульс, что также негативно сказывается на величине нейтронного выхода.

Однако, металлическая компонента необходима для формирования на поверхности изолятора слабо проводящего слоя (суммарное сопротивление 10⁴÷10⁷ Ом), насыщенного поглощаемым дейтерием. Этот слой обеспечивает стабильную инициацию основного дугового разряда при вспомогательном разряде, возникающем между поджигающим электродом и катодом при подаче высоковольтного импульса напряжения, аналогично «взрывающейся проволочке». В случае недостаточного запыления поверхности изолятора металлом эрозии подвергается сам изолятор, что, в конечном счете, приводит к прекращению работы всего источника ионов.

Таким образом, длительная стабильная работа источника ионов возможна при установлении динамического равновесия между процессами испарения проводящей пленки при вспомогательном разряде и напыления новой при основном разряде. При этом желательно, чтобы напыление производилось на возможно большую часть рабочей поверхности изолятора. Однако особенности вакуумной дуги - испарение материала электродов в виде «катодных факелов» из катодных (анодных) пятен - приводят к преимущественному напылению в местах «привязки» разряда. Результатом этого может быть либо быстрое обеднение рабочим газом области «привязки», либо «закорачивание» вакуумного зазора между анодом и катодом продуктами эрозии, т.е. прекращению работы источника ионов. Использование магнитных полей для устранения «привязок» малоэффективно для импульсно-периодического режима работы ионного источника с длительностью импульса в микро- и наносекундном диапазонах, характерной для современных импульсных вакуумных нейтронных трубок.

Данная полезная модель устраняет недостатки аналогов и прототипа.

Задачей полезной модели является создание источника с формированием межэлектродного разряда в квазизамкнутом объеме, обеспечивающем сохранение проводящей пленки на поверхности изолятора, предотвращение попадания большей части металлической компоненты плазмы в ускоряющий зазор и на внутреннюю поверхность баллона, улучшение компонентного состава ионного пучка.

Техническим результатом полезной модели является повышение стабильности и ресурса работы ионного источника за счет сохранения проводящей пленки на внутренней поверхности изолятора, разделяющего поджигающий электрод и катод, улучшения компонентного состава ионного пучка при удержании большей части металлической компоненты внутри квазизамкнутого объема источника ионов.

Технический результат достигается тем, что в источнике ионов, содержащем соосные дисковый катод и дисковый анод, насыщенные изотопами водорода, осесимметричный поджигающий электрод и осесимметричные изоляторы, разделяющие электроды, система электродов и изоляторов выполнена в виде квазизамкнутого объема с выходным отверстием в аноде с площадью не более 10% от суммарной площади анода, поджигающий электрод заглублен в щель между изоляторами, причем на катодный изолятор нанесено покрытие с сопротивлением 10⁴÷10⁷ Ом. Анод выполнен с конусной внутренней поверхностью. Между дисковым анодом и анодным изолятором выполнена кольцевая щель. Анодный изолятор выполнен рельефным. Покрытие катодного изолятора выполнено из кермета.

Сущность полезной модели поясняется на фиг. 1 и 2

На фиг. 1 схематично представлен поперечный разрез источника ионов.

На фиг. 2 представлена в увеличенном размере компоновка электродов, где: 1 - дисковый анод с центральным отверстием; 2 - анодный изолятор; 3 - поджигающий электрод (токоподвод к нему от центральной трубки не показан); 4 - катодный изолятор с керметным покрытием на внутренней образующей, 5 - дисковый катод.

Источник ионов работает следующим образом.

До начала импульса дисковый анод 1 соединен с накопительной емкостью ионного источника и имеет потенциал порядка +2÷4 кВ. Дисковый катод 5 заземлен, а поджигающий электрод 3 соединен с генератором высоковольтных импульсов. При подаче импульса напряжения положительной полярности амплитудой 3÷10 кВ на поджигающий электрод 3 возникает вспомогательный разряд между поджигающим электродом 3 и дисковым катодом 5 по поверхности керметного покрытия катодного изолятора 4, которое частично испаряется в месте пробоя, образуя первичную вспомогательную плазму.

Вспомогательная плазма под действием приложенного изначально электрического поля инициирует импульсный вакуумный дуговой разряд между дисковым анодом 1 и дисковым катодом 5. Длительность импульса, представляющего собой затухающий апериодический разряд накопительной емкости, определяется величиной этой емкости и декрементом затухания. Электродные пятна дуги разряда испускают плазменные потоки, содержащие металлическую компоненту и изотопы водорода, например, дейтерий в виде пара и ионов, т.к. электроды содержат его в окклюдированном состоянии. Дейтерий, расширяясь, частью попадает через центральное отверстие дискового анода 1 в ускоряющий промежуток, а частью вновь поглощается металлической пленкой внутри объема источника ионов. Металлическая компонента практически полностью оседает на внутренней поверхности квазизамкнутого объема источника ионов, покрывая, в том числе и поверхность изоляторов 2 и 4, преимущественно, катодного изолятора 4. В силу малого расстояния между дисковым катодом 5 и дисковым анодом 1 потоки металлической компоненты, многократно отражаясь и рассеиваясь, равномерно покрывают внутреннюю поверхность источника ионов. Для того чтобы напыляемая пленка не закоротила промежутки «катод - анод» и «поджигающий электрод - анод», поджигающий электрод 3 заглублен в щель между изоляторами 2 и 4, а между дисковым анодом 1 и анодным изолятором 2 выполнена кольцевая щель.

Могут быть приняты и дополнительные меры для предотвращения этих процессов. В частности, анодный изолятор 2 может иметь фасонную внутреннюю поверхность - конусную, с дополнительными канавками и т.д.

При этом в процесс десорбции дейтерия вовлекается большая часть рабочей поверхности электродов 2 и 4, устраняется опасность привязки разряда к одной точке. Повышается ресурс и стабильность работы источника ионов. Дополнительным преимуществом источника ионов является многократное уменьшение металлической компоненты эрозии электродов 1 и 5, попадающей в ускоряющий промежуток и оседающей на внутренней поверхности диэлектрического корпуса вакуумной нейтронной трубки. Следствием этого является повышение ресурса трубки в целом.

1. Источник ионов, содержащий соосные дисковый катод и дисковый анод, насыщенные изотопами водорода, осесимметричный поджигающий электрод и осесимметричные изоляторы, разделяющие электроды, отличающийся тем, что система электродов и изоляторов выполнена в виде квазизамкнутого объема с выходным отверстием в аноде с площадью не более 10% от суммарной площади анода, поджигающий электрод заглублен в щель между изоляторами, причем на катодный изолятор нанесено покрытие с суммарным сопротивлением 10 ⁴÷10⁷ Ом.

2. Источник ионов по п. 1, отличающийся тем, что анод выполнен с конусной внутренней поверхностью.

3. Источник ионов по п. 1, отличающийся тем, что между дисковым анодом и анодным изолятором выполнена кольцевая щель.

4. Источник ионов по п. 1, отличающийся тем, что анодный изолятором выполнен рельефным.

5. Источник ионов по п. 1, отличающийся тем, что покрытие катодного изолятора выполнено из кермета.