19231

ИСТОЧНИКИ ИОНОВ

Лекция

Физика

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 совре...

Русский

2013-07-11

87.5 KB

11 чел.

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.

         

                                                                                          

                                                                                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.                  

 

                                       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.          

      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 P=1 кВт-1 МВт при частотах в интервале f=1-15 МГц. 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

                                                                                                                                                                                                                 

      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  t92000 при соответствующей проводимости 29 Ом--1см-1.

         

                                                         Рис.4

                                                                                                               

      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

                                                                                                    

                                                    

      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. 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.

                                                   Рис.6

      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).

                                                Рис.7  

Для работы устройства в камере создается вакуум. На электроды инжектора подается импульсное напряжение от емкостного генератора. 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.                                                                                                    

                                              


S3

S2

S1



плазма

5

4

2

1

U2=10 В

К

А

U1=0

U3=30 В

U4=70 В

U5=-60 кВ

4

3

2

1

2,7 Ом-1см-1

18

27

72000

75000

89000

92000

2

1

3

29

3

4

1

2

5

6

~

1

2

3

4

1

2

3

4

5

6


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

24366. Роль науки в современном образовании и формировании личности 32.5 KB
  Образовательный процесс выступает в качестве исходной территории на которой происходит встреча индивида и науки подготовка его к жизнедеятельности в данном обществе и формирование зрелой личности. Образование – необходимая ступень социализации личности. Образование подразумевает не только процесс передачи знания но и процесс окультурования личности самого учащихся.
24367. Основные функции науки в жизни общества (наука как мировоззрение, как производительная и социальная сила) 59 KB
  Культурная сущность науки влечет за собой ее этическую и ценностную наполненность. Результативная функция науки осуществляется из систему образования воспитания обучения и подключения членов общества к исследовательской деятельности и эпосу науки. Функций у науки много и с ее развитием их становится все больше и больше.
24368. Возникновение науки. Две стратегии порождения знаний: обобщение практического опыта и конструирование теоретических моделей 104 KB
  Такой например характер имели геометрические знания древних египтян. Однако по мере развития практики наряду с отмеченными способами познания формируется новый способ построения знания. При таком методе исходные идеальные объекты черпаются уже не из практики а заимствуются из ранее сложившихся систем знаний языка и применяются в качестве строительного материала при формировании нового знания. Таким образом в науке наряду с эмпирическими правилами и зависимостями которые знала и преднаука формируется особый тип знания теория...
24369. Античный этап развития науки: логика и математика 104 KB
  Первые европейские ученые и философы любители мудрости Фалес Анакасимен Анаксимандр Гераклит опираясь на факты и логику впервые мыслили вещи не фантастически а стремились к естественнонаучном безличному целостному описанию природы космоса мира. Осуществляя многочисленные наблюдения за поведением планет Солнца природных и общественных явлений используя также и мифологически воззрения от них полностью устраниться не удалось они пытались найти как общие законы изменения и устройства мира так и частные его характеристики....
24370. Наука средневековья. Роль христианской теологии в изменении созерцательной позиции ученого 114 KB
  Начало мира это сам Бог. В результате христианское учение постепенно стало приобретать форму рациональной теологии где определенное место отводилось вопросам познания устройства мира. Предельность конечность мира в пространстве включала геоцентризм Аристотеля и Птоломея и оттеняла космическую функцию Христа. Он как бы замещал исследование причинноследственных связей превращался в важнейший способ восприятия мира и выражения опыта развивал мышление позволяя превращать истины веры в зрительные образы.
24371. Формирование идеалов (математизированное и опытное, экспериментальное знание) науки Нового времени (Г. Галилей, Ф. Бэкон, Р. Декарт) 127 KB
  это время становления новой современной науки. Этому способствовали как внутренние изменения самой науки уже Коперник и Кеплер свою гелиоцентрическую картину мира обосновывают с помощью математического расчета. Давление воды на лопатку движение деталей насоса кузнечного молота шелкопрядильной машины включали в себя непрерывную цепь механических причин и следствий ставших основой механической картины мира классического идеала науки.
24372. Формирование и соотношение естественных, технических и социально-гуманитарных наук: сходство и различия 106 KB
  Лпркшпрожю Развитие технических наук стимулирует развитие естествознания их взаимосвязь не прервалась и после выделения технической науки в отдельную область знания. В то же время существует большой разрыв между действительным применением результатов технической науки на практике и занятием самой этой наукой. С методологической точки зрения исследование в технической науке не сильно отличается от естественнонаучного исследования. Таким образом в научнотехнических дисциплинах необходимо четко различать исследования включенные в инженерную...
24373. Многообразие типов научного знания. Сущность и структура эмпирического знания 55 KB
  Материализация и первичное обобщение данных отражения в форме знания на основе правил соответствия узнавание сравнение измерение описание образуют эмпирические факты эмпирические объекты эмпирическую информацию. Эмпирические факты условно можно разделить на два вида: а факты в основание которых лежат не зависящие от субъекта явления например природные процессы и б факты созданные человеком например экономика экономические отношения. Эмпирические факты обладают большей степенью общности чем единичные данные но меньшей чем...
24374. Сущность и структура теоретического знания 52.5 KB
  Теория это высшая самая развитая форма организации научного знания дающая целостное представление о закономерностях и существенных связях определенное области действительности объекта данной теории 77. С помощью этих знаковых образований языка теории возникает возможность более точно и глубоко судить о соответствующей изучаемой предметной области. Кроме того тот или иной вид теории определяется предметом и задачами исследования глубиной раскрытия сущности предметов и др. Также имеют место попытки поиска идеальной схемы...