مقدمه

در میان چشمه های یونی [۱]، چشمه یونی پنینگ کاتد سرد از مفیدترین آنها می باشد، چرا که از نظر ابعاد چشمه ای کوچک بوده، فیلامان نداشته و بسته به جنس الکترودها از طول عمر خوبی برخوردار است. این مزایا باعث شده تا این چشمه کاربرد وسیعی نیز پیدا کرده باشد. یکی از انواع چشمه های پنینگ مدل خود استخراجی یون می باشد که دارای ابعاد کوچکی است که در این کار به آن پرداخته شده است. در چشمه پنینگ با اعمال اختلاف پتانسیل بین دو کاتد و آند حلقه ای یا استوانه ای شکل پلاسما تشکیل می شود. در این کار از یک استوانه برای آند استفاده شده است و به همین دلیل به آن آند توخالی۱ می گویند. میدان مغناطیسی ناشی از آهنربای دائمی نیروی J×B را در طول محور چشمه در ناحیه پلاسمایی اعمال میکند. حضور این نیرو به افزایش یونیزاسیون گاز به سبب افزایش مسیر چرخشی الکترونها کمک میکند. در این نوع چشمه نیازی به الکترود اضافی برای استخراج یونها نمیباشد. یونها به کمک شکل هندسی الکترودها و نتیجتاً شکل سطوح هم پتانسیل و همچنین چگالی پلاسما از الکترود خارج می شوند. اثر شکل هندسی و زاویه الکترود پلاسمایی بر روی استخراج یونها گزارش شده است .[۲] سطوح هم پتانسیل ناشی از اختلاف پتانسیل الکترودها بگونه ای است که ذرات باردار در حین عبور از محیط پلاسمایی به سمت دهانه استخراج کننده،

۱- Hollow Anode

۱۳۲۲

علاوه بر تجربه نیروی رو به جلو، همگرا نیز می شوند. در ادامه به توضیح هندسه و شرایط کاری چشمه پرداخته شده است.

روش کار

هندسـه مدل شـده و چشمه یونی ساخته شده در شکل ۱ نشان داده شده است. چشمه شامل دو کاتد و یک آند اسـتوانهای می باشـد که بخاطر دسـتیابی به سـطح ولتاژ دشارژ پایین از جنس استیل نگیر ساخته شده اند. مشــخص شــده اســت که در بین مواد مختلف مورد اســتفاده برای کاتد، آهن و اورانیوم دارای پایین ترین ولتاژ دشـارژ می باشـند .[۳] البته طول عمر الکترود اورانیومی بیشتر از استیل می باشد که به علت محدودیت در تهیه، الکترودها از جنس استیل انتخاب شدند. کاتد اول به نام کاتد و دیگری که نقش استخراج گننده ار بر عهده دارد به نام آنتی کاتد یا الکترود پلاسمایی شناخته می شوند. قطر داخلی آند ۱۳ میلی متر و طول آن ۶,۵ میلی متر بوده و در فاصــله ۲ میلی متری از کاتد و آنتی کاتد قرار گرفته اســت. قطر دهانه اســتخراج کننده که یونها از آن عبور می کنند ۵ میل متر می باشـد. در برخی کارها برای استخراج بهینه پلاسما از زاویه ۴۰ برای اسـتخراج کننده اسـتفاده شـده اسـت [۴]، اما در اینجا از هیچ زاویهای بر روی آنتی کاتد اسـتفاده نشده است. سطوح الکترودها تا ۱ میکرومتر به روش الکتروپولیش پرداخت شده اند. آهنربای دائمی استفاده شده در پشت کاتد به شـــکل اســـتوانه با ابعاد ۱۴ میلی متر قطر و ۲۵ میلی متر ارتفاع و بزرگی میدان آن بر روی کاتد ۸۷۰ گوس می باشــد. قرارگیری آهنربا با این چیدمان باعث کاهش شــعاع و قطر چشــمه یونی می شــود. آند با پتانسیل حداکثر +۲,۵ kV تغذیه می شود در حالیکه کاتد و آنتی کاتد به زمین وصل هستند. آند توسط رینگ های شـیشهای از بدنه، کاتد و آنتی کاتد عایق شده است. کل چیدمان در یک پوسته فلزی به قطر ۲۴ میلی متر و طول ۴۷ میلی متر قرار گرفته که به کاتد و آنتی کاتد متصل بوده و از آند عایق شده است. کل چشمه درون یک محفظه خلاء شــیشــه ای T شــکل قرار گرفته که از یک طرف خلاء و از یک طرف اتصــالات مربوط به چشـــمه یونی و تزریق گاز و از طرف دیگر اتصـــالات مربوط به فنجان فارادی که برای اندازه گیری جریان استفاده شده، از طریق فیدتروی الکتریکی به محفظه وصل می شوند. در شکل ۲ تصویر چشمه در حال کردن نشان داده شده است. خروج یونها بدون استفاده از الکترود اضافی مشخص می باشد. گاز هیدروژن از انتهای چشـمه و با کمک دو شیر سوزنی به محفظه تزریق می شود. برای خلاء چشمه از یک پمپ توربومولکولار به همراه روتاری اسـتفاده شـده اسـت. فشـار پایهای که بدون پخت کردن و گاززدایی به آن رسیده شد از مرتبه ۱۰-۶ mbar بوده است.