Искровые ионные источники

Искровые ионные источники применяются в малогабаритных ускорителях прямого действия при импульсном режиме работы. Они весьма компактны и просты. В разрядной камере источников располагаются два электрода, выполненные из материала, хорошо поглощающего водород. Обычно это титановые шайбы, пропитан­ные водородом или дейтерием. Высокое напряжение, подаваемое на электроды, вызывает искровой разряд, в результате которого из металла выделяется некоторая порция газа, который достаточно хорошо ионизируется этим же искровым разрядом. Здесь не тре­буется непрерывной подачи газа в объем камеры и практически отсутствует натекание газа в вакуумный объем ускорительной трубки. В процессе работы источника необходима систематическая замена пропитанных шайб. Основной недостаток источника — большая немонохроматичность пучка.

Дуговые ионные источники

Источники этого типа делятся на две группы:

• источники для циклотронов, синхроциклотронов, установок для электромагнит­ного разделения изотопов и других машин, в которых исполь­зуется ленточный пучок ускоренных ионов;

• источники для уско­рителей прямого действия, в которых, как уже было сказано выше, используются пучки круглого сечения.

Схема ленточного источника для разделения изотопов пред­ставлена на рисунке 14.

Рис.14. Ленточный источник с подогревным катодом.

1 — печь, 2 — щель, 3 — экстрактор, 4 — накальный катод, 5 — подогревный катод, 6 — плазма, 7 —тигель-анод

Здесь источником электронов в разряде является подогревный катод, нагреваемый расположенным выше накальным катодом. Довольно сильное магнитное поле — порядка 5000 э способствует правильному формированию пучка электро­нов, испускаемых катодом. Вариант источника, представленный на рисунке, предусматривает совмещение анода с поверхностью рабочего вещества, находящегося в тигле внизу источника. Ве­щество испаряется под влиянием нагрева тигля током и нагрева, вызванного разрядом. В других вариантах вещество в газообразном виде подается через специальное отверстие в разрядную камеру от рядом стоящей печи. Щель в вытягивающем электроде и в стенке разрядной камеры показана на рисунке. Вытягиваемый ею пучок представляет собой узкую и высокую ленту, обычно близкую к величине зазора между полюсами магнита.

Дуоплазматрон

В ускорительной технике дуговые источники с круглым сече­нием пучка применяются в тех случаях, когда нужно получить очень большие импульсные ионные токи — в несколько сотен мил­лиампер и даже в несколько ампер. Плазма здесь образуется в дуговом разряде, который может быть достаточно мощным, с большим количеством ионов и при удачной конструкции вытя­гивающего устройства токи могут быть весьма большими. Сле­дует отметить, что источники с током, близким к единицам ампер, всегда применяются для импульсного режима. Ускоритель с то­ком 1 а даже при сравнительно малой энергии — 5 Мэв — имел бы мощность в пучке 5000 кВт. Такая огромная мощность может быть получена лишь в импульсном режиме.

В качестве примера рассмотрим один из самых распространен­ных дуговых источников — так называемый дуоплазматрон, пред­ложенный М. Арденне. Этот источник характеризуется двойным контрагированием плазмы, т. е. концентрацией плазмы в нужном районе разрядной камеры с помощью соответствующих конфигу­раций электрического и магнитного полей.

На рис. 15 справа приведена схема электрического контрагирования плазмы, осуществляемого с помощью дополнительного анода специальной формы, соединенного с глав­ным анодом через сопротивление 200…400 ом.

Рис. 15. Схема магнитного и электрического контрагирования плазмы в дуоплазматроне

1 — катод, 2 — дополнительный анод, 3 — магнитное поле, 4 — анод, 5 — двойной электрический слой, 6 — граница плазмы

Наличие в газораз­рядном промежутке, между катодом и главным анодом, канала, созданного дополнительным анодом, приводит к уменьшению кон­центрации электронов внутри канала по сравнению с концентра­цией в остальной части промежутка и к дополнительному падению потенциала у входа в канал. Эго падение, в свою очередь, образует показанный на рис. 15 двойной электрический слой, форма поля которого приводит к фокусированию электронов внутрь канала, а потенциал ускоряет их в область отверстия эмиссии плазмы в главном аноде. Благодаря этому эффективность иониза­ции увеличивается, и концентрация ионов у отверстия эмиссий повышается.

Магнитное контрагирование показано на рис. 9 слева. Электромагниты со специальной формой полюсов, питаемые постоянным током, создают конфигурацию магнитного поля в районе вытягивающего отверстия, показанную на рисунке. Поле усиливается в районе отверстия эмиссии, здесь создается повышенная концентрация электронов, и следовательно, проис­ходит эффективная ионизация.

На рис. 16 приведен конструктивный чертеж одного из ва­риантов дуоплазматрона.

Рис. 16. Дуоплазматрон.

1— вытягивающий электрод с сеткой, 2 — накладка, 3 — главный анод, 4 — холодильник, 5 — катушка, 6 — панцырь, 7 — катод, 8 — промежуточный анод, 9 — катодный токопровод.

В левой части показан вытягивающий электрод, отверстие которого закрыто сеткой. Ускоряемые им ионы попадают в вакуумную трубку через ячейки сетки. Слева от отверстия эмиссии на конце прикрепленного к аноду цилиндра крепится накладка, экранирующая поле вытягивающего электрода от отверстия эмиссии. В этом случае плазма через отверстие про­ходит внутрь цилиндра, и граница ее формируется полем ускоряю­щего электрода. Так как концентрация ионов у границы плазмы меньше, чем в районе отверстия эмиссии то градиенты электрического поля, обеспечивающего нужную для первичной фокусировки форму границы плазмы, требуются мень­шие, чем в источниках других типов. Большая поверхность от­бора ионов при хорошей ее форме позволяет получить высокие параметры источника. При удовлетворительном ионном составе пучка и хорошей его фокусировке можно в импульсном режиме получить токи, близкие к 1 а.