RU2606404C1

RU2606404C1 - Ion diode with magnetic self-isolation

Info

Publication number: RU2606404C1
Application number: RU2015126119A
Authority: RU
Inventors: Александр Иванович Пушкарев; Юлия Ивановна Исакова; Илья Павлович Хайлов
Priority date: 2015-06-30
Filing date: 2015-06-30
Publication date: 2017-01-10

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: invention relates to acceleration engineering and is intended for production of heavy charged particle beams, used for radiation beam modification of products of metals in order to improve their characteristics. Ion diode with magnetic self-isolation contains potential electrode (1), strip grounded electrode (2) connected with one side to chamber case and metal screen (4) installed on grounded electrode, which is made closed, of box-like shape. Wherein width of potential electrode is 1.5–2 times more than width of grounded electrode.

EFFECT: low divergence of ion beam, high MIC energy density in focus and its stability in series of pulses.

1 cl, 8 dwg

Description

Изобретение относится к ускорительной технике и предназначено для получения мощных пучков заряженных частиц, которые используются для радиационно-пучкового модифицирования изделий из металлов с целью повышения их эксплуатационных характеристик.The invention relates to accelerator technology and is intended to produce powerful beams of charged particles, which are used for radiation-beam modification of metal products in order to increase their operational characteristics.

Известны диоды с внешней магнитной изоляцией, предназначенные для генерации импульсных мощных ионных пучков (МИП) [Быстрицкий В.М., Диденко А.Н. Мощные ионные пучки. М.: Энергоатомиздат, 1984. 152 с.], состоящие из анода, катода и источника внешнего магнитного поля. МИП формируются путем прямого ускорения ионов из плазмы, образованной на поверхности анода при импульсном пробое по поверхности диэлектрических вставок или при инжекции плазмы в прианодную область от внешнего плазменного источника. Недостатком известного устройства является ограниченный ресурс работы. Кроме того, в таких источниках можно получать пучки с ограниченным типом ионов, определяемым диэлектриком. Диоды с инжекцией плазмы от внешнего плазменного источника принципиально позволяют получать ионные пучки различного состава, но сложны в реализации, поскольку на аноде диода требуется создать достаточно однородный слой плазмы плотностью более 10¹³ см^-3 с возможностью изменять состав плазмы. Дополнительный источник напряжения для создания магнитного поля в диоде, системы синхронизации и ввода плазмы в зазор усложняют конструкцию ионного диода, снижают надежность и эффективность генерации МИП.Known diodes with external magnetic insulation, designed to generate pulsed high-power ion beams (MIP) [Bystritsky VM, Didenko AN Powerful ion beams. M .: Energoatomizdat, 1984. 152 p.], Consisting of an anode, cathode and source of an external magnetic field. MIPs are formed by direct acceleration of ions from a plasma formed on the surface of the anode during pulse breakdown on the surface of dielectric inserts or during plasma injection into the anode region from an external plasma source. A disadvantage of the known device is the limited resource of work. In addition, in such sources it is possible to obtain beams with a limited type of ion determined by the dielectric. Diodes with plasma injection from an external plasma source allow one to fundamentally obtain ion beams of various compositions, but are difficult to implement, since it is required to create a fairly uniform plasma layer with a density of more than 10 ¹³ cm ^-3 on the diode’s anode with the ability to change the plasma composition. An additional voltage source for creating a magnetic field in the diode, synchronization systems and plasma input into the gap complicate the design of the ion diode, reduce the reliability and efficiency of MIP generation.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является выбранный нами за прототип полосковый ионный диод с магнитной самоизоляцией [G.E. Remnev, I.F. Isakov, et all, High-power ion sources for industrial application // Surf. and Coatings Technol., 1997, vol. 96, pp. 103-109]. Полосковый ионный диод с магнитной самоизоляцией состоит из потенциального электрода и заземленного электрода, соединенного с корпусом камеры с одной стороны. Потенциальный электрод изготовлен из графита длиной 24 см и шириной 4,5 см, заземленный электрод - из полосы нержавеющей стали длиной 28 см, шириной 4,5 см и толщиной 3 мм, с прорезями 0,4 см×5 см, прозрачность 60%. Ширина потенциального и заземленного электродов одинакова. На заземленном электроде установлены экраны, выполненные в виде продольных пластин с прорезями. Для создания плотной плазмы необходимого состава на поверхности потенциального электрода диода используется явление взрывной электронной эмиссии. Поперечное магнитное поле в анод-катодном зазоре формируется собственным током диода при протекании по заземленному электроду. В этой конструкции диода дополнительный источник магнитного поля, система синхронизации и ввода плазмы в зазор не требуются, что значительно упрощает конструкцию генератора МИП.Closest to the proposed device is our selected for the prototype strip ion diode with magnetic self-isolation [G.E. Remnev, I.F. Isakov, et all, High-power ion sources for industrial application // Surf. and Coatings Technol., 1997, vol. 96, pp. 103-109]. Striped ion diode with magnetic self-isolation consists of a potential electrode and a grounded electrode connected to the camera body on one side. The potential electrode is made of graphite 24 cm long and 4.5 cm wide, the grounded electrode - from a stainless steel strip 28 cm long, 4.5 cm wide and 3 mm thick, with slots of 0.4 cm × 5 cm, transparency 60%. The width of the potential and grounded electrodes is the same. Shields made in the form of longitudinal plates with slots are installed on the grounded electrode. To create a dense plasma of the required composition on the surface of the potential electrode of the diode, the phenomenon of explosive electron emission is used. A transverse magnetic field in the anode-cathode gap is formed by the diode’s own current when flowing through a grounded electrode. In this design of the diode, an additional source of magnetic field, a synchronization system and the introduction of plasma into the gap are not required, which greatly simplifies the design of the MIP generator.

Ионный диод с магнитной самоизоляцией работает следующим образом. От генератора наносекундных импульсов к потенциальному электроду ионного диода прикладываются сдвоенные разнополярные импульсы - первый отрицательный и второй положительный. В течение первого импульса на поверхности потенциального электрода диода образуется взрывоэмиссионная плазма. В течение второго импульса из взрывоэмиссионной плазмы эмитируют ионы, которые ускоряются в анод-катодном зазоре. Через прорези в заземленном электроде основная часть ионов проходит в область транспортировки МИП. В течение генерации ионного пучка (второй импульс) электроны эмитируют с поверхности заземленного электрода и далее дрейфуют вдоль его поверхности от точки заземления к свободному концу электрода.An ion diode with magnetic self-isolation works as follows. From the generator of nanosecond pulses to the potential electrode of the ionic diode, double bipolar pulses are applied - the first negative and the second positive. During the first pulse, an explosive emission plasma is formed on the surface of the potential diode electrode. During the second pulse, ions are emitted from the explosive emission plasma, which are accelerated in the anode-cathode gap. Through the slots in the grounded electrode, the main part of the ions passes into the MIP transport region. During the generation of the ion beam (second pulse), the electrons emit from the surface of the grounded electrode and then drift along its surface from the ground point to the free end of the electrode.

Недостатком устройства-прототипа является высокая расходимость ионного пучка при транспортировке от диода до мишени. Ток, протекающий по заземленному электроду, формирует магнитное поле не только в анод-катодном зазоре диода, но и в области транспортировки ионов до мишени. Продольные пластины с прорезями, установленные на заземленном электроде, не обеспечивают достаточное ослабление магнитного поля в области транспортировки МИП. Расходимость ионного пучка достигает 10-11° (половинный угол). Для получения мощных ионных пучков с высокой плотностью энергии при фокусировке необходимо снижать расходимость ионного пучка. Расходимость ионного пучка определяется влиянием паразитных электромагнитных полей в области транспортировки от диода до мишени и искажением электрического поля в А-К зазоре диода.The disadvantage of the prototype device is the high divergence of the ion beam during transportation from the diode to the target. The current flowing through the grounded electrode forms a magnetic field not only in the anode-cathode gap of the diode, but also in the field of ion transport to the target. Longitudinal slit plates mounted on a grounded electrode do not provide sufficient attenuation of the magnetic field in the MIP transport area. The divergence of the ion beam reaches 10-11 ° (half angle). To obtain powerful ion beams with a high energy density during focusing, it is necessary to reduce the divergence of the ion beam. The divergence of the ion beam is determined by the influence of spurious electromagnetic fields in the transport region from the diode to the target and the distortion of the electric field in the AK gap of the diode.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в снижении расходимости ионного пучка с 10° до 5° и повышении плотности энергии МИП в фокусе с 2-3 Дж/см² до 10 Дж/см². Дополнительный технический результат заключается в повышении стабильности работы ионного диода. Стандартная девиация плотности энергии МИП в фокусе диода снизилась в серии импульсов с 10-12% до 5-6%.The technical result of the invention consists in reducing the divergence of the ion beam from 10 ° to 5 ° and increasing the energy density of the MIP in focus from 2-3 J / cm ² to 10 J / cm ² . An additional technical result is to increase the stability of the ion diode. The standard deviation of the MIP energy density in the focus of the diode decreased in a series of pulses from 10-12% to 5-6%.

Технический результат достигается тем, что в ионном диоде с магнитной самоизоляцией, содержащем потенциальный электрод, полосковый заземленный электрод, который соединен одной стороной с корпусом камеры, и металлический экран, установленный на заземленном электроде, согласно предложенному решению, металлический экран выполнен замкнутым, коробчатой формы, а ширина потенциального электрода в 1,5-2 раза больше, чем ширина заземленного электрода.The technical result is achieved by the fact that in an ionic diode with magnetic self-isolation containing a potential electrode, a strip grounded electrode, which is connected on one side to the camera body, and a metal screen mounted on a grounded electrode, according to the proposed solution, the metal screen is closed, box-shaped, and the width of the potential electrode is 1.5-2 times greater than the width of the grounded electrode.

Изобретение поясняется графическими материалами. Фиг. 1 - пример выполнения конструкции фокусирующего полоскового диода с магнитной самоизоляцией, где обозначено: 1 - потенциальный электрод, 2 - заземленной электрод, 3 - точка заземления, 4 - экран, 5 - конец диода. Фиг. 2 - сечение А-А фиг. 1. Фиг. 3 - представлено распределение плотности энергии МИП в фокусной плоскости для диода с широким потенциальным электродом и с коробчатым экраном - кривая 6, и узким потенциальным электродом с экранами в виде пластин с прорезями - кривая 7, абсолютные - Фиг. 3а и нормированные - Фиг. 3б значения. Фиг. 4 - представлено изменение плотности энергии МИП в фокусе в серии импульсов для фокусирующего диода с широким потенциальным электродом и с коробчатым экраном - Фиг. 4а, и узким потенциальным электродом с экранами в виде пластин с прорезями - Фиг. 4б. Фиг. 5 - представлен отпечаток МИП на термобумаге. Фиг. 6 - представлено распределение плотности энергии МИП для плоского полоскового диода с широким потенциальным электродом и с коробчатым экраном - Фиг. 6а, и узким потенциальным электродом с экранами в виде пластин с прорезями - Фиг. 6б. Фиг. 7 - ионный диод по прототипу с магнитной самоизоляцией плоской и фокусирующей геометрии. Фиг. 8 - пример конкретного выполнения заявляемого ионного диода с магнитной самоизоляцией плоской и фокусирующей геометрии.The invention is illustrated in graphic materials. FIG. 1 - an example of the design of the focusing strip diode with magnetic self-isolation, where it is indicated: 1 - potential electrode, 2 - grounded electrode, 3 - ground point, 4 - screen, 5 - end of the diode. FIG. 2 is a section AA of FIG. 1. FIG. 3 - shows the distribution of the MIP energy density in the focal plane for a diode with a wide potential electrode and with a box-shaped screen - curve 6, and a narrow potential electrode with screens in the form of plates with slots - curve 7, absolute - Fig. 3a and normalized - FIG. 3b values. FIG. 4 - shows the change in the energy density of the MIP in focus in a series of pulses for a focusing diode with a wide potential electrode and with a box screen - FIG. 4a and a narrow potential electrode with screens in the form of slit plates — FIG. 4b. FIG. 5 - shows the MIP print on thermal paper. FIG. 6 - shows the distribution of the energy density of the MIP for a flat strip diode with a wide potential electrode and with a box screen - Fig. 6a and a narrow potential electrode with screens in the form of slit plates — FIG. 6b. FIG. 7 - ion diode of the prototype with magnetic self-isolation of flat and focusing geometry. FIG. 8 is an example of a specific implementation of the inventive ion diode with magnetic self-isolation of flat and focusing geometry.

Полосковый ионный диод с магнитной самоизоляцией содержит полосковый потенциальный электрод 1 и полосковый заземленный электрод 2 (фиг. 1). Заземленный электрод соединен с корпусом диодной камеры только с одной стороны в точке заземления 3. В ионном диоде с магнитной самоизоляцией для обеспечения снижения паразитных электромагнитных полей в области транспортировки ионного пучка до мишени на заземленный электрод установлен замкнутый металлический экран 4 (фиг. 1) коробчатой конструкции без прорезей. Для повышения однородности электрического поля в анод-катодном зазоре ионного диода ширина полоскового потенциального электрода 1 превышает в 1,5-2 раза ширину полоскового заземленного электрода 2 (фиг. 2).The strip ion diode with magnetic self-isolation contains a strip potential electrode 1 and a strip grounded electrode 2 (Fig. 1). A grounded electrode is connected to the case of the diode chamber only on one side at grounding point 3. In an ionic diode with magnetic self-isolation, to ensure reduction of spurious electromagnetic fields in the field of transporting the ion beam to the target, a closed box-shaped metal shield 4 (Fig. 1) is mounted on the grounded electrode without slots. To increase the uniformity of the electric field in the anode-cathode gap of the ion diode, the width of the strip potential electrode 1 exceeds 1.5-2 times the width of the strip grounded electrode 2 (Fig. 2).

При увеличении ширины потенциального электрода более чем в 2 раза по сравнению с заземленным электродом распределение электрического поля в анод-катодном зазоре диода не изменяется, но начинает развиваться электрический пробой между потенциальным электродом и корпусом диодной камеры.When the width of the potential electrode is more than 2 times higher than that of the grounded electrode, the distribution of the electric field in the anode-cathode gap of the diode does not change, but an electrical breakdown begins between the potential electrode and the case of the diode chamber.

Ионный диод с магнитной самоизоляцией работает следующим образом. От генератора наносекундных импульсов к потенциальному электроду 1 ионного диода прикладываются сдвоенные разнополярные импульсы - первый отрицательный (300-500 нс, 100-150 кВ) и второй положительный (120 нс, 250-300 кВ). В течение первого импульса на поверхности графитового потенциального электрода 1 образуется взрывоэмиссионная плазма. В течение второго импульса из взрывоэмиссионной плазмы потенциального электрода 1 эмитируют ионы, которые ускоряются в анод-катодном зазоре. Затем основная часть ионов проходит в область транспортировки МИП. В течение генерации ионного пучка (второй импульс) электроны эмитируют с поверхности заземленного электрода 2. При этом электроны движутся по заземленному электроду 2 от точки заземления 3 к точке эмиссии, формируя магнитное поле в зазоре, вектор магнитной индукции которого перпендикулярен вектору напряженности электрического поля. В скрещенных электрическом и магнитном полях (B⊥E) под действием силы Лоренца последующие электроны меняют направление движения от поперечного (с заземленного электрода к потенциальному) к продольному вдоль поверхности заземленного электрода 2 к концу диода 5.An ion diode with magnetic self-isolation works as follows. From the generator of nanosecond pulses to the potential electrode 1 of the ion diode, double bipolar pulses are applied - the first negative (300-500 ns, 100-150 kV) and the second positive (120 ns, 250-300 kV). During the first pulse, an explosive emission plasma is formed on the surface of the graphite potential electrode 1. During the second pulse, ions are emitted from the explosive emission plasma of the potential electrode 1, which are accelerated in the anode-cathode gap. Then the main part of the ions passes into the MIP transport region. During the generation of the ion beam (second pulse), the electrons emit from the surface of the grounded electrode 2. In this case, the electrons move along the grounded electrode 2 from the ground point 3 to the emission point, forming a magnetic field in the gap, the magnetic induction vector of which is perpendicular to the electric field vector. In crossed electric and magnetic fields (B⊥E) under the action of the Lorentz force, subsequent electrons change the direction of movement from the transverse (from the grounded electrode to the potential) to the longitudinal along the surface of the grounded electrode 2 to the end of diode 5.

Пример конкретного выполнения 1. Потенциальный электрод 1 фокусирующего полоскового диода изготовлен из графита длиной 22 см и шириной 9 см, рабочая сторона потенциального электрода имеет полуцилиндрическую поверхность радиусом 15 см. Заземленный электрод 2 выполнен из полосы нержавеющей стали длиной 24 см, толщиной 0,2 см и шириной 4,5 см. Рабочая поверхность заземленного электрода 2 выполнена полуцилиндрической с радиусом изгиба 14,5 см, с прорезями 0,4 см×2 см. На заземленный электрод 2 установлен экран 4 коробчатой конструкции, выполненный из нержавеющей стали толщиной 1 мм. Ширина экрана 4 (по радиусу) составляла 10 см. На фиг. 3 показано распределение плотности энергии МИП в ионном диоде с узким потенциальным электродом (по прототипу, Фиг. 7) и в ионном диоде с широким потенциальным электродом и с коробчатым экраном (по заявляемому устройству, Фиг. 8). Из фиг. 3 видно, что расходимость МИП в ионном диоде с широким потенциальным электродом и с коробчатым экраном ниже и составляет 5°. Плотность энергии МИП в фокусе при этом возросла до 10 Дж/см². Изменение конструкции фокусирующего диода увеличило стабильность плотности энергии МИП в фокусе в серии импульсов. На фиг. 4 приведены результаты статистических исследований. Стандартная девиация плотности энергии МИП в серии импульсов снизилась с 10-15% до 5-6%.An example of a specific implementation 1. The potential electrode 1 of the focusing strip diode is made of graphite 22 cm long and 9 cm wide, the working side of the potential electrode has a semi-cylindrical surface with a radius of 15 cm. Grounded electrode 2 is made of a stainless steel strip 24 cm long, 0.2 cm thick and a width of 4.5 cm. The working surface of the grounded electrode 2 is made semi-cylindrical with a bending radius of 14.5 cm, with slots of 0.4 cm × 2 cm. A screen 4 of a box construction made of zhaveyuschey steel 1 mm thick. The width of the screen 4 (along the radius) was 10 cm. In FIG. 3 shows the distribution of the energy density of the MIP in an ion diode with a narrow potential electrode (according to the prototype, Fig. 7) and in an ion diode with a wide potential electrode and with a box-shaped screen (according to the claimed device, Fig. 8). From FIG. Figure 3 shows that the divergence of the MIP in an ion diode with a wide potential electrode and with a box screen is lower and is 5 °. At the same time, the MIP energy density in focus increased to 10 J / cm ² . A change in the design of the focusing diode increased the stability of the MIP energy density in focus in a series of pulses. In FIG. 4 shows the results of statistical studies. The standard deviation of the MIP energy density in a series of pulses decreased from 10-15% to 5-6%.

Пример конкретного выполнения 2. Потенциальный электрод 1 плоского полоскового диода изготовлен из графита длиной 22 см и шириной 8 см. Заземленный электрод 2 выполнен из полосы нержавеющей стали длиной 24 см, толщиной 0,2 см и шириной 4,5 см. Рабочая поверхность заземленного электрода выполнена с прорезями 0,4 см×2 см, Фиг. 8. На заземленный электрод 2 установлен экран 4 коробчатой конструкции без прорезей, выполненный из нержавеющей стали толщиной 1 мм. Ширина экрана (по направлению движения ионов) составляла 6 см. На фиг. 5 приведены результаты измерения расходимости пучка камерой-обскурой. Отверстия в диафрагме 2 мм, расстояние от диафрагмы до термобумаги 50 мм, средний диаметр отпечатка МИП на термобумаге 5 мм. Измерения показали, что расходимость ионного пучка в области транспортировки не превышает 3° (половинный угол). На фиг. 6 приведено распределение плотности энергии мощного ионного пучка в плоском полосковом диоде. Изменение конструкции плоского полоскового диода увеличило однородность плотности энергии МИП в поперечном сечении.An example of a specific implementation 2. The potential electrode 1 of a flat strip diode is made of graphite 22 cm long and 8 cm wide. The grounded electrode 2 is made of a stainless steel strip 24 cm long, 0.2 cm thick and 4.5 cm wide. The working surface of the grounded electrode made with slots of 0.4 cm × 2 cm, FIG. 8. On the grounded electrode 2 mounted screen 4 of the box design without slots, made of stainless steel with a thickness of 1 mm The screen width (in the direction of ion motion) was 6 cm. In FIG. Figure 5 shows the results of measuring the beam divergence by a pinhole camera. The holes in the diaphragm are 2 mm, the distance from the diaphragm to the thermal paper is 50 mm, the average diameter of the MIP print on the thermal paper is 5 mm. The measurements showed that the divergence of the ion beam in the transport region does not exceed 3 ° (half angle). In FIG. Figure 6 shows the distribution of the energy density of a powerful ion beam in a flat strip diode. A change in the design of a flat strip diode increased the uniformity of the MIP energy density in the cross section.

Таким образом, установка на заземленный электрод металлического экрана коробчатой конструкции без прорезей и использование потенциального электрода шириной в 1,5-2 раза больше, чем ширина заземленного электрода, позволяют уменьшить расходимость ионного пучка, повысить плотность энергии МИП в фокусе и ее стабильность в серии импульсов.Thus, the installation of a box-shaped metal screen without gaps on the grounded electrode and the use of a potential electrode 1.5–2 times wider than the width of the grounded electrode make it possible to reduce the divergence of the ion beam, increase the MIP energy density in focus and its stability in a series of pulses .

Claims

Ion diode with magnetic self-isolation, containing a potential electrode, a strip grounded electrode, which is connected on one side to the camera body, and a metal screen mounted on a grounded electrode, characterized in that the metal screen is closed, box-shaped, and the width of the potential electrode is 1, 5-2 times larger than the width of the grounded electrode.