Лекция 10 ИСТОЧНИКИ ИОНОВ Газоразрядные источники ионов нашли большое применение для создания приборов и устройств в научных экспериментах и технологических. - презентация

1 Лекция 10 ИСТОЧНИКИ ИОНОВ Газоразрядные источники ионов нашли большое применение для создания приборов и устройств в научных экспериментах и технологических процессах. Ионные источники широко используются в работах по управляемому термоядерному синтезу и на современных ускорителях. Высокочастотные и дуговые плазмотроны применяются в плазмохимии, для резки металлов и напыления различных элементов. Плазменные и электростатические ускорители, как источники реактивной тяги были установлены в качестве корректирующих двигателей на ряде спутников. В качестве исходной среды плазмотроны содержат низкотемпературную плазму, из которой происходит извлечение ионов (рис.1). К одной из границ плазмы S 1 примыкает электродная система, состоящая из электродов S 2 и S 3. Потенциалы, которые подаются на данные электроды, обеспечивают извлечение и последующее ускорение ионов.

2 Рис.1 В качестве устройства рассмотрим схему и параметры плазматрона, нашедшего применение в плазменных экспериментах и в качестве источника ионов на ускорителях заряженных частиц (рис.2). Основными частями плазматрона являются: 1- катод, 2- промежуточный электрод, 3-анод, 4-извлекающий электрод. Катод изготовляется из вольфрамовой нити, а отверстия в промежуточном электроде и в аноде составляют п 5 мм и А 1,5 мм соответственно. S3S3 S2S2 S1S1 плазм а

3 Рис.2 Потенциалы, подаваемые на все электроды, указаны на рис.2. К промежуточному электроду подводится водяное охлаждение. Давление водорода в межэлектродном пространстве поддерживается на уровне торр. В области отверстия промежуточного электрода (2) располагается ярко светящаяся плазменная сфера, окруженная двойным слоем (5), который представляет собой область интенсивной ионизации. Сферичность двойного слоя приводит к фокусировке электронов, ускоренных в двойном слое. Следует заметить, что при потребляемой мощности в 70 Вт и расходе газа в 25 см 3 /ч плазмотрон выдает пучок протонов с энергией около 60 кэВ и током 7,5 мА U 2 =10 В К А U 1 =0 U 3 =30 В U 4 =70 В U 5 =-60 кВ

4 В качестве более совершенной системы, относительно плазматрона, в ряде случаев используется дуоплазматрон. Существенным отличием дуоплазматрона является создание достаточно сильного магнитного поля с помощью постоянных магнитов диапазона 0,5-10 кЭ в области двойного слоя и между промежуточным электродом и анодом (рис.2). В дуоплазматроне сжатие плазмы благодаря фокусирующей системе сочетается с действием неоднородного магнитного поля. В результате в дуоплазматронах достигается при большой вкладываемой мощности большая сила тока в пучке – до 0,5-1 А. Плазма ВЧ -разряда в ряде случаев находит технологическое применение, как, например, в ВЧ -плазматронах (рис.3). Данное устройство позволяет получить направленный поток плазмы с температурой достигающей К. В данных плазматронах, как правило, используется индукционное возбуждение (рис.3), а мощность генераторов для различного типа устройств находится в диапазоне P=1 к Вт-1 МВт при частотах в интервале f=1-15 МГц.

5 В ряде случаев ввиду большой мощности требуется водяное охлаждение устройства. Корпус плазматрона составляет керамическая труба (2), в который вдувается через сопла (3) рабочий газ: воздух, аргон, кислород, азот и т.д. Обычно высокочастотная плазма образуется в области расположения индуктора (1), но в силу наличия потока газа плазменный шнур (4) приобретает вытянутую и заостренную форму (рис.3). Весьма эффективной является вихревая стабилизация газового потока (рис.3), при которой газ вдувается под углом к оси плазматрона. Рис

6 Рассмотрим распределение температуры в ВЧ –плазматроне (рис.4). Измерения температуры в данном примере проводились методом относительных интенсивностей спектральных линий. Индуктор (1) расположен вокруг керамической трубки (2) (внутренний диаметр 3 см), в которой создается плазма (3). В качестве рабочего газа использовался аргон при расходе газа 15 л/мин. Мощность генератора составляла 2,5 к Вт при рабочей частоте 25 МГц. Внутренние области плазмы имеют торообразную форму и обладают максимальной температурой t при соответствующей проводимости 29 Ом -1 см -1. Рис.4 2,7 Ом -1 см

7 ВЧ –плазмотроны применяются в следующих областях: 1) плазмохимия, 2) резка металлов, 3) обработка порошковых материалов. Рассмотрим устройство ВЧ –плазматрона, используемого для резки металлов и термообработки поверхностей (рис.5). Для сужения плазменной струи (1) в данной конструкции используется сопловая насадка (2) из тугоплавкого металла, имеющая водяное охлаждение (3). Частота генератора в данном примере составляла 1,8 МГц, при расходе газа в л/мин, и скорости газовой струи (4) (воздух, кислород) м/c. Вся конструкция находится внутри керамической трубы (5), вокруг которой расположен индуктор генератора (6). В результате применения насадки плотность потока плазмы увеличивается с 400 Вт/см 2 до 4000 Вт/см 2, что позволяет проводить эффективные технологические операции по резке металлов. Рис

8 Достаточно известным плазменным ускорителем, обладающим некоторыми рекордными параметрами является рельсотрон. Представим схематическое устройство рельсотрона (рис.6). Основу устройства составляют две металлические пластины (1) – рельсы, закрепленные на фиксированном расстоянии, между которыми на одном торце вставляется пластинка из диэлектрика (2) или тонкая металлическая фольга. При использовании рельсотрона как инжектора плазмы вся конструкция располагается в вакуумной камере. В ряде случаев эксперименты с рельсотронами проводятся при атмосферном давлении. Рис.6 ~

9 К пластинам (1) рельсотрона подключается генератор тока (4), в качестве которого в различных системах используются: конденсаторные накопители, униполярные генераторы и т.д. Прохождение сильного тока вызывает испарение диэлектрика или взрыв фольги (2) и образование плазменной оболочки (3), которая под действием силы Ампера начинает ускоряться между рельсами. Длина рельсов в ряде конструкций составляет от 10 см до 2 м. В мощных системах сила тока достигает 10 5 А при энергии конденсаторной батареи 500 к Дж. Скорости плазменных сгустков достигают скоростей 10 км/с в вакууме. В отдельных экспериментах, проводимых в атмосфере, плазменная оболочка работала как своеобразный поршень и ускоряла легкие предметы массой порядка 1 г до скоростей порядка 10 км/с.

10 Более совершенной системой плазменного ускорителя является коаксиальный инжектор (рис.7). Данный ускоритель позволяет получить плазменные сгустки достаточно правильной и устойчивой формы. Конструкцию инжектора составляют два металлических коаксиальных цилиндра (1) и (2), разделенных между собой диэлектрическим кольцом (4). Для питания инжектора обычно используется емкостной накопитель, в который входит управляемый разрядник (5) и конденсаторная батарея (6). Для работы устройства в камере создается вакуум. На электроды инжектора подается импульсное напряжение от емкостного генератора. Рис

11 Одновременно с подачей импульса в пространства между электродами вблизи диэлектрика (4) впрыскивается порция рабочего газа. Вначале происходит пробой по поверхности диэлектрика, а затем наступает пробой в газовом сгустке. Образовавшаяся плазма при усилении тока начинает ускоряться под действием силы Ампера. На выходе из инжектора плазма обычно имеет торообразную форму, которая затем при движении в пространстве приобретает вид сгустка неправильной формы. Скорость плазмы в коаксиальных инжекторах составляет v=1-10 км/с.