устройство для стабилизации теплового режима ионного источника

Формула изобретения

1. Устройство для стабилизации теплового режима ионного источника, содержащее систему теплоизлучающих элементов, выполненных с возможностью теплового контакта с ионным источником, и систему элементов, поглощающих тепло, отличающееся тем, что система поглощающих тепло элементов, расположенных в промежутках между тепловыделяющими элементами и имеющих возможность охлаждения жидким теплоносителем выполнена с возможностью перемещения относительно теплоизлучающих элементов и имеет приводное устройство.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что система теплоизлучающих элементов и система элементов, поглощающих тепло, выполнены в виде металлических концентрических цилиндров.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве приводного устройства выбраны биметаллические пластины.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области техники ионных источников и может быть использовано при проектировании ионных источников различного назначения, например, источников отрицательных ионов водорода.

Известные ионные источники [1] в которых поддерживание необходимой температуры разрядной камеры осуществляется с помощью водяного охлаждения, однако такие источники работают устойчиво только с газообразными рабочими телами.

Известен ионный источник прототип [2] предназначенный для работы на смеси газообразного рабочего тела (водород) с конденсирующимся рабочим телом (цезий). Стабилизация его теплового режима в требуемом диапазоне (300^o - 500^oC) осуществляется за счет радиационного сброса тепла.

Однако в этом случае сброс тепла осуществляется только с наружной поверхности источника и допустимый диапазон изменения параметров разряда оказывается связанным с размерами источника, что создает трудности при проектировании источников и их эксплуатации.

Техническим результатом изобретения является возможность глубокого изменения параметров разряда вне связи с размерами ионного источника.

Этот результат достигается тем, что теплоизлучающие элементы собраны с промежутками, в которых располагаются элементы, поглощающие тепло, причем теплоизлучающие элементы находятся в тепловом контакте с источником, а элементы, поглощающие тепло, охлаждают жидким теплоносителем.

Система элементов, поглощающих тепло, выполнена подвижной относительно теплоизлучающих элементов и имеет приводное устройство. Система теплоизлучающих элементов и система элементов, поглощающих тепло, выполнены в виде металлических концентрических цилиндров, причем элементы, поглощающие тепло, имеют возможность осевого перемещения. В качестве приводного устройства выбраны биметаллические пластины.

Эффективность передачи тепла от ионного источника к охлаждающей жидкости (воде) сильно связана с температурой (передаваемая с единицы поверхности мощность пропорциональна четвертой степени температуры закон Стефана - Больцмана), поэтому при возрастании мощности разряда эффективность теплообмена увеличивается и температура разрядной камеры ионного источника растет только как корень четвертой степени из мощности.

Изменение температуры ионного источника при изменении мощности разряда станет меньше, если при увеличении температуры ионного источника элементы, поглощающие тепло, глубже вдвигать в промежутки между теплоизлучающими элементами, увеличивая тем самым эффективную площадь поверхности теплообмена. В качестве приводного устройства удобно использовать биметаллические пластины потому, что они для работы не требуют дополнительного подвода энергии, являясь одновременно датчиками температуры.

На чертеже приведена конструктивная схема такого устройства. Она содержит ионный источник 1, теплоизлучающие элементы 2, элементы 3, поглощающие тепло, приводное устройство 4 и трубку 5 с охлаждающей жидкостью (водой).

Теплоизлучающие элементы 2 расположены непосредственно на ионном источнике 1 и находятся с ним в тепловом контакте, например, припаяны. В промежутках теплоизлучающих элементов 2 находятся элементы 3, поглощающие тепло, припаянные к трубке 5 с охлаждающей жидкостью. Элементы 3, поглощающие тепло, соединены с приводным устройством 4, в качестве которого используются биметаллические пластины.

Устройство работает следующим образом: при увеличении мощности в разряде и соответствующем увеличении температуры ионного источника 1 возрастает эффективность передачи тепла орт теплоизлучающих элементов 2 к элементам 3, поглощающим тепло, пропорционально четвертой степени температуры. Это приводит к тому, что температура ионного источника 1 и излучающих элементов 2 растет слабо, пропорционально корню четвертой степени температуры. Кроме того, пластины 3, поглощающие тепло, с помощью приводного устройства 4 из биметаллических пластин вдвигаются в промежутки между теплоизлучающими элементами 2, увеличивая площадь поверхности теплообмена, что также уменьшает рост температуры ионного источника 1.

При уменьшении мощности в разряде ионного источника процесс идет в противоположном направлении.

Для источника отрицательных ионов водорода [3] в качестве рабочего тела используется смесь водорода со щелочным металлом (цезием). Диапазон его рабочих температур от 300^o до 500^oC. При радиационном сбросе тепла с наружной поверхности источника допустимый диапазон изменения мощности разряда 15 45 Вт. При принудительном охлаждении водой отдельных элементов конструкции источника мощность разряда может быть увеличена до 300 400 Вт, однако это значительно усложняет конструкцию источника и не увеличивает допустимый относительный диапазон изменения мощности.

Использование предлагаемого технического решения путем размещения на внешней поверхности источника [3] системы концентрических металлических цилиндров общей площадью 3170 см² (9 шт. диаметром от 120 до 160 мм и длиной 40 мм каждый), в промежутках между которыми помещены перемещаемые в осевом направлении металлические концентрические цилиндры, охлаждаемые водой, позволит изменять мощность в разряде от 20 до 250 Вт, то есть в 12,5 раз, не выходя из диапазона допустимых температур.

При необходимости диапазон устойчивой работы данного источника может быть еще увеличен.

Приведенные оценки показывают, что за счет применения данного технического решения допустимый диапазон изменения параметров разряда может быть увеличен в несколько раз (до десяти) по сравнению с традиционными методами.