WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 1 04;10;12 Источник ионов водорода с холодным магнетронным катодом и магнитным сжатием плазмы © Л.П. Вересов, О.Л. Вересов, А.Ф. Чачаков Сухумский физико-технический институт, 384914 Сухуми, Абхазия e-mail: ol_veres@mail.ru (Поступило в Редакцию 17 февраля 2005 г.) Представлен источник ионов водорода, предназначенный для инжектора линейного ускорителя протонов на 16 MeV со средним током пучка 100 µA. Показаны некоторые конструктивные решения, позволившие улучшить эксплуатационные характеристики ионного источника. Представлены результаты исследования макета источника на экспериментальном стенде в импульсном режиме работы: частота следования от 1 до 10 Hz и длительность импульса от 100 до 600 µs.

PACS: 39.10.+j Введение Конструкция источника и его характерные особенности В Сухумском физико-техническом институте проводят работы по модернизации линейного ускорителя прото- Источник ионов водорода состоит из двух частей нов на энергию 16 MeV и средний ток пучка 100 µA генератора плазмы (ГП) и системы отбора, первичного для создания комплекса по наработке медицинских формирования и фокусировки пучка (ионно-оптической радионуклидов [1]. Кардинальной переделке подвергся системы (ИОС)). Генератор плазмы можно условно источник ионов водорода с целью значительного по- разделить на три части: магнетронную (область холодвышения ресурса работы. Применяемый первоначаль- ного катода), основного разряда (область магнитного но дуоплазматрон с термоэмиссионным катодом обла- сжатия) и экспандер (область расширения плазмы).

дал совершенно неудовлетворительным сроком службы.

Характерными особенностями ГП являются испольС целью повышения ресурса работы накаливаемый катод зование цилиндрического обращенного многокамернобыл заменен холодным. После исследования различных го магнетронного катода, исключение промежуточного типов холодных вторично-эмиссионных катодов выбор электрода и применение конусной вставки в экспандере был остановлен на цилиндрическом обращенном мно- (см. рисунок). Его отличие от ГП, представленного в гокамерном магнетронном катоде, с помощью которого работе [3], — наличие кольца из магнитного материала удалось сохранить газовую экономичность близкой к между кольцевыми постоянными FeBa магнитами с продуоплазматрону с горячим катодом, уменьшить разме- тивоположной полярностью. С помощью этого кольца ры источника, значительно увеличить ресурс прибора удалось перераспределить силовые линии магнитного и увеличить его эмиссионную способность, при этом поля, что позволило повысить его величину на оси значительно упростить электропитание источника [2]. источника как в магнетронной области с 1100 до 2200 Js, Дальнейшая работа над дуоплазматроном с холодным так и в области магнитного сжатия с 2100 до 4800 Js.

катодом привела к созданию нового источника с хо- Диаметр отверстия в эмиссионном электроде, через колодным магнетронным катодом и магнитным сжатием торое плазма проникает в полость конусного экспандера, плазмы у эмиссионного отверстия (развитие дуоплаз- равен 1 mm, диаметр отверстия конусной вставки в матрона с холодным катодом) [3]. Электростатическая экспандере — 8 mm, диаметр отверстия извлекающего система фокусировки пучка, представляющая собой две электрода — 9 mm. Ускоряющий зазор варьировался спаренные одиночные линзы с разными фокусными от 8 до 11 mm. В этом источнике ионов водорода расстояниями, позволяет фокусировать пучки ионов были применены трехэлектродная ИОС ускорения — водорода с величиной тока более 100 mA. Эта элек- замедления и электростатическая фокусировка пучка, тростатическая система фокусировки повторяет идею представляющая собой две спаренные одиночные линзы системы фокусировки инжектора, строящегося в НИИ- с разными фокусными расстояниями. С помощью перЭФА им. Д.В. Ефремова компактного линейного уско- вой линзы пучок собирался в параллельный, а второй рителя [4]. Исследования источника протонов вместе с фокусировался. При правильном подборе фокусных рассистемой извлечения и транспортировки пучка прово- стояний одиночных электростатических линз появляется дились в Сухумском физико-техническом институте на возможность фокусировать пучок при помощи одного установке У-100. источника питания.

Источник ионов водорода с холодным магнетронным катодом и магнитным сжатием плазмы Конструкция, схема подключения и график распределения величины магнитного поля по оси источника: 1 — керамическое кольцо;

2 — несущий фланец конструкции источника; 3 — полюса магнитной системы; 4 — анод источника (эмиссионный электрод);

5 — извлекающий электрод (экстрактор); 6 — три заземленных электрода линзы; 7 — коллектор (цилиндр Фарадея или другие приборы диагностики пучка, установленные на двигающуюся поперек и вдоль пучка платформу); 8 — клапаны импульсного напуска плазмообразующего газа; 9 — анодный блок магнетрона; 10 — катодный блок магнетрона; 11 — кольцевые FeBa магниты;

12 — модулятор разряда; 13 — балластные сопротивления в цепи разряда; 14 — конусная вставка экспандера; 15 — выпрямитель 110 kV (ускорение); 16 — выпрямитель 50 kV (замедление); 17 — выпрямитель 50 kV (фокусировка); 18 — два спаренных центральных фокусирующих электрода линз.

Физические явления, происходящие в источнике с тия — основным. С помощью регулируемых балластных холодным магнетронным катодом и магнитным сжатием сопротивлений, стоящих в цепи питания модулятора плазмы у эмиссионного отверстия, были обсуждены разряда (см. рисунок), можно управлять параметрами в работе [3]. Здесь же отметим его принцип дей- как вспомогательного, так и основного разрядов и тем ствия и характерные особенности. Внутрикамерное рас- самым изменять режимы работы ионного источника.

положение упрощает конструкцию ионного источника. Исследования дуоплазматрона с холодным катодом Катодная область, представляющая собой цилиндриче- показали, что двойного слоя в виде плазменного „пуский обращенный многокамерный магнетрон, является зыря“ у промежуточного электрода не образуется, как вторично-эмиссионной плазменной системой, в которой в классическом дуоплазматроне с термоэмиссионным возбуждается тлеющий разряд. При оптимальной подаче катодом. Двойной слой в источниках с холодными каплазмообразующего газа (5-7 Torr · cm3 / импульс) раз- тодами образуется у отрицательного электрода катодряд в катодной области горит при 300 V и зажигается ной области. Сужение в виде усеченного конуса на при 600-800 V. Разряд, возбуждаемый в магнетронной торце магнетронного катода преобразует плазменный области, является поджигающим для разряда, возбужда- поток из кольцевой формы в цилиндрическую. Это дает емого в области магнитного сжатия, параметры которо- возможность решить две задачи: еще более повысить го определяют величину и длительность тока ионного его газовую экономичность и выровнять и увеличить пучка. Поэтому разряд в катодной области авторы плотность истекающей плазмы из области холодного назвали вспомогательным, а в области магнитного сжа- катода в область основного разряда. В конусном окончаЖурнал технической физики, 2006, том 76, вып. 134 Л.П. Вересов, О.Л. Вересов, А.Ф. Чачаков Таблица 1.

Напряжение Ток основного Ток пучка ионов Диаметр сечения Полный угол расходиотбора U0, kV разряда I1, A в ЦФI2, mA пучка d2, mm мости пучка 0, rad 45 18 120 20 5.7 · 10-45 22 150 22 5.9 · 10-45 40 200 31 11.4 · 10-нии магнетронного катода (см. рисунок) не образуется изменялось от 300 до 70 V в зависимости от интенплазменного „пузыря“, а горит рязряд магнетронного сивности разряда и количества плазмообразующего газа.

типа, что видно по следам обработки внутренней поверх- Режим горения основного разряда легко перестраивался ности конусного окончания катодной области. Поэтому изменением либо величины балластных сопротивлений промежуточный электрод был исключен из конструкции, в цепи питания ГП, либо количеством рабочего гаа неоднородное сжимающее магнитное поле у эмисси- за (H2), подающегося в объем газоразрядной камеры онного отверстия организовано с помощью постоянных порциями с помощью электромагнитного клапана [5], кольцевых феррит-бариевых магнитов с противополож- либо вносимой в рязряд мощности.

ной полярностью (см. рисунок).

Иногда в токе пучка наблюдались релаксационные Еще одна особенность этого источника ионов водоро- колебания с частотой в несколько десятков килогерц с да — применение конусного экспандера с плавно изме- глубиной модуляции, доходящей до 10%. Устраняются няемым углом, в который вставлена конусная вставка.

они перестройкой режима горения разряда.

Она позволила стабилизировать и сформировать вместе Начальные испытания ионного источника проводис ускоряющим электрическим полем вогнутую плазменлись при использовании двухэлектродной ИОС и напряную границу, обрезать „плазменную шубу“, уменьшить жении отбора 45 kV. При этом расширение пучка при площадь плазменного эмиттера ионов и тем самым токе 200-250 mA было существенным. На расстоянии улучшить эмиттанс пучка (при токе пучка 150 mA 15 cm от конусной вставки экспандера диаметр пучка донормализованный эмиттанс составляет 3 · 10-5 cm · rad).

стигал 180 mm. Ток в центральной части пучка измеС периферии конусной вставки сбрасывался в радиальрялся цилиндром Фарадея с входным диаметром 60 mm.

ном направлении избыточный газ из экспандера, что Ниже приведена табл. 1 основных параметров для трех привело к резкому сокращению пробоев в высоковольтрежимов работы ионного источника.

ном промежутке, и удалось поднять напряжение отбора Основные параметры источника ионов водорода с с 50 до 105 kV.

холодным магнетронным катодом и магнитным сжатием Трехэлектродная ИОС (экспандер-извлекающий плазмы у эмиссионного отверстия приведены в рабоэлектрод-замедляющий электрод) создает в ионноте [3], в которой описана диагностическая аппаратура и оптическом тракте потенциальный барьер для электрометодика измерений динамических характеристик пучка.

нов пучковой плазмы, дрейфующих в направлении исПозднее двухэлектродная ИОС была заменена трехточника. Этот барьер образует область виртуального каэлектродной ИОС ускорения–замедления. Система фотода электронов, которые компенсируют положительный кусировки пучка представляет собой две спаренные пространственный заряд ионного пучка, благодаря чему одиночные линзы с разными фокусными расстояниями.

удается сформировать более интенсивные ионные пучки.

Вытягивающее напряжение в ускоряющем зазоре было Надо заметить, что при использовании двухэлектродной увеличено до 105 kV.

ИОС обратный поток электронов из пучковой плазмы, Получение параллельного пучка ионов позволило точускоренный в высоковольтном зазоре, расплавлял нее измерять массовый состав пучка масс-анализатором медную коллимирующую диафрагму экспандера.

Демпстера. Протонная составляющая в пучке увеличивается с нарастанием тока основного разряда в источниЭкспериментальные результаты ке (табл. 2).

Источник ионов водорода с холодным магнетронным катодом и магнитным сжатием плазмы у эмиссионного Таблица 2.

отверстия функционирует в импульсном режиме с частотой следования от 1 до 10 Hz и длительностью импульса Ток основного Содержание протонов от 100 до 600 µs.

разряда, A в пучке, % Ток вспомогательного разряда в магнетронной области при напряжении 300 V достигал 100 A, но обычно 10 в номинальном режиме находился в интервале 5-30 A. 20 30 Ток основного разряда, контрагируемого магнитным по40 лем, достигал 200 A. При этом напряжение на разряде Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. Источник ионов водорода с холодным магнетронным катодом и магнитным сжатием плазмы Заключение В ходе модернизации дуоплазматрона с термоэмиссионным катодом для использования его в инжекторе линейного ускорителя протонов, являющегося одним из основных элементов комплекса, для наработки медицинских радионуклидов был создан новый источник ионов водорода с холодным магнетронным катодом и магнитным сжатием плазмы у эмиссионного отверстия.

По сравнению с предшественником у него значительно улучшены эксплуатационные характеристики. Ресурс его непрерывной работы увеличен на несколько порядков и составляет десятки тысяч часов. Газовая экономичность осталась почти такой же, как у источника с накаливаемым катодом. В то же время новому ионному источнику требуется меньшее количество источников питания. Ему не нужны источник питания накала катода и источник питания электромагнита, создающего неоднородное магнитное поле у эмиссионного отверстия благодаря использованию холодного катода и постоянных кольцевых FeBa магнитов. Его размер значительно меньше предшественника и он значительно легче. Эмиссионная способность нового источника несколько выше, чем у дуоплазматрона с горячим катодом. Формируемый им пучок по своим динамическим характеристикам превосходит пучок, формируемый предшественником. Параметры нового ионного источника позволяют использовать его в инжекторе линейного ускорителя. В то же время источник ионов водорода с холодным магнетронным катодом и магнитным сжатием плазмы у эмиссионного отверстия значительно экономичнее предшественника как в изготовлении, так и в эксплуатации, что очень важно для ускорителей прикладного назначения.

Список литературы [1] Аринин Л.В., Кузнецов Г.В., Марколия А.И. и др. // Тез.

докл. Девятого Всероссийского совещения по применению ускорителей заряженных частиц в промышленности и медицине. СПб., 1998. С. 122.

[2] Вересов Л.П., Вересов О.Л., Дзкуя М.И. и др. // ЖТФ. 2001.

Т. 71. Вып. 10. С. 50–53.

[3] Вересов Л.П., Вересов О.Л. // ЖТФ. 2003. Т. 73. Вып. 10.

С. 122–129.

[4] Афанасьев Ю.В., Голубев В.П., Зуев Ю.В., Строкач А.П. // Десятое Международное совещание по применению ускорителей заряженных частиц в промышленности и медицине. СПб., 2001. С. 315–318.

[5] Вересов Л.П., Литвинов П.А., Неустроев Ю.П., Николаев Э.С. А.c. № 4364894. С приоритетом от 8.05.1989.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.