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 S1 примыкает электродная система, состоящая из электродов S2 и S3. 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 п5 мм и А 1,5 мм соответственно.
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 10-2 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 см3/ч плазмотрон выдает пучок протонов с энергией около 60 кэВ и током 7,5 мА.
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 10000 К. В данных плазматронах, как правило, используется индукционное возбуждение (рис. 3), а мощность генераторов для различного типа устройств находится в диапазоне P1 кВт-1 МВт при частотах в интервале f1-15 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. 3
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 кВт при рабочей частоте 25 МГц. Внутренние области плазмы имеют торообразную форму и обладают максимальной температурой t920000 при соответствующей проводимости 29 Ом-1см-1. Рис. 4
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 40-150 л/мин, и скорости газовой струи (4) (воздух, кислород) 40-190 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/см2 до 4000 Вт/см2, что позволяет проводить эффективные технологические операции по резке металлов. Рис. 5
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 105 А при энергии конденсаторной батареи 500 кДж. 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. 7
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 v1-10 км/с.
