ИМПУЛЬСНЫЙ ХОЛОДНЫЙ КАТОД Российский патент 1994 года по МПК H01J1/30 

Изобретение относится к электронной ускорительной технике/ к устройствам формирования потоков заряженных частиц.

Известен холодный катод/ выполненный в виде размещенной на металлическом основании диэлектрической пластины/ играющей роль плазмообразующего элемента/ на поверхности которой размещен электрод с сеткой из тугоплавкого металла (1). Катод обеспечивает формирование сильноточных пучков электронов с использованием плазмы/ возникающей при электрическом разряде по поверхности диэлектрика.

Недостатком катода является ограничение срока службы за счет нарушения поверхности диэлектрика в процессе работы.

Наиболее близким к изобретению является импульсный холодный катод/ содержащий металлическое основание и диэлектрический плазмообразующий элемент/ выполненный в виде по крайней мере одной ленты/ установленной в металлическом основании. В основании закреплен также по крайней мере один электрод в виде металлической гребенки/ имеющей упругий контакт с боковой поверхностью ленты (2).

Срок службы такого электрода ограничен временем выработки его рабочей диэлектрической поверхности/ подверженной постоянному воздействию электрического разряда на одних и тех же ее участках.

Изобретение направлено на увеличение ресурса катода.

Для этого импульсный холодный катод/ содержащий металлическое основание и диэлектрический плазмообразующий элемент/ рабочая поверхность которого имеет упругий механический контакт по крайней мере с одним металлическим гребенчатым электродом/ один из которых (основной) электрически соединен с металлическим основанием катода/ снабжен средством перемещения рабочей поверхности диэлектрического элемента относительно по крайней мере одного гребенчатого электрода.

Дополнительный гребенчатый электрод изолирован от металлического основания катода.

Для формирования ленточного пучка электронов диэлектрический плазмообразующий элемент выполнен в виде цилиндра или части цилиндра с возможностью его вращения вокруг своей оси/ причем рабочей поверхностью диэлектрического элемента является внешняя поверхность цилиндра.

Для повышения эффективности каждый из зубцов дополнительного гребенчатого электрода/ соседнего с основным гребенчатым электродом/ расположен напротив соответствующего зубца основного электрода/ так что в каждой паре расположенных друг напротив друга зубцов разноименных электродов образуется разрядный промежуток между концами этих зубцов.

Для увеличения площади поперечного сечения пучка электронов/ зубцы разноименных гребенчатых электродов/ расположенных друг напротив друга/ имеют разную длину/ причем в каждом электроде чередуются зубцы с разной длиной.

Для повышения срока службы гребенчатых электродов зубцы одного из соседних разноименных электродов имеют концы в виде V-образного элемента/ причем цилиндрический плазмообразующий элемент выполнен с возможностью вращения навстречу указанным зубцам.

Для формирования трубчатого пучка электронов диэлектрический плазмообразующий элемент выполнен в виде полого цилиндра/ причем рабочей поверхностью является его внутренняя поверхность.

Для повышения эффективности в этот катод введен выполненный в виде кольца металлический электрод/ закрепленный концентрично основному гребенчатому электроду на вшнешней цилиндрической поверхности диэлектрического плазмообразующего элемента.

Для формирования трубчатого пучка электронов в другом варианте исполнения диэлектрический плазмообразующий элемент выполнен в виде круга с возможностью вращения вокруг своей оси/ плоская поверхность которого является рабочей/ а основной гребенчатый электрод выполнен в виде круга меньшего диаметра/ расположенного в центре диэлектрического плазмообразующего элемента.

Для увеличения эффективности дополнительной гребенчатый электрод/ соседний с круговым основным гребенчатым электродом/ расположен вокруг него так/ что между направленными навстречу друг другу зубцами разноименных электродов образованы разрядные промежутки.

На фиг. 1-3 изображен катод с внешней цилиндрической рабочей поверхностью и двумя металлическими гребенчатыми электродами; на фиг.4 - указанный катод с другой формой концов зубьев гребенок электродов; на фиг.5 и 6 - двухрядное размещение разрядных промежутков между зубьями гребенок основного и дополнительного электродов; на фиг.7 и 8 - катод с внутренней цилиндрической рабочей поверхностью диэлектрического плазмообразующего элемента; на фиг. 9 и 10 - катод с круговой плоской рабочей поверхностью диэлектрического плазмообразующего элемента.

Импульсный холодный катод с внешней цилиндрической рабочей поверхностью содержит диэлектрический плазмообразующий элемент 1 (фиг.1) в виде цилиндрической керамической трубки/ внешняя цилиндрическая поверхность 2 которой является рабочей поверхностью элемента. Может быть использована керамика типа 22ХС. Керамическая трубка 1 с помощью стаканов 3 и 4/ гайки 5 и оси 6 установлена с возможностью вращения вокруг оси 8 в металлической обойме 9/ которая закреплена на металлическом основании 10 катода. На стойке 11 обоймы 9 закреплен основной гребенчатый электрод 12/ выполненный из фосфористой бронзы/ зубцы 13 гребенки которого имеют упругий механический контакт с внешней цилиндрической рабочей поверхностью 2 плазмообразующего диэлектрического элемента 1. Катод расположен в корпусе 14 ускорителя электронов/ имеющем выводное окно 15 (закрытое/ например/ алюминиевой фольгой - на чертеже не показана). Ось 6 выполнена из корпуса 14 с использованием уплотнения 16 (см. фиг.4) и соединена с ведущим валом электродвигателя (на чертежах не показан) для обеспечения вращения диэлектрического плазмообразующего элемента 1.

Основание 10 катода соединено с отрицательным/ а корпус 14 - с положительным выводом импульсного источника питания (на чертежах не показан). В приведенном на фиг.1 варианте исполнения на стойке 11 электрода 12 с помощью цилиндров 17 из диэлектрического материала и металлической пластины 18 закреплен дополнительный/ выполненный из фосфористой бронзы/ гребенчатый электрод 19/ зубцы 20 которого также имеют упругий механический контакт с рабочей поверхностью 2 плазмообразующего элемента 1.

При этом между зубцами 13 основного электрода 12 и зубцами 20 дополнительного электрода 19 образованы разрядные промежутки 21. С такого катода в процессе работы формируется пучок излучаемых частиц (электронов) ленточного сечения.

Пространство внутри корпуса 14/ в котором размещен катод/ находится в вакууме/ расстояние между диэлектрическим плазмообразующим элементом 1 и корпусом 14 при наличии одного основного электрода 12/ а также между металлической пластиной 18 и корпусом 14 при наличии дополнительного электрода 19 выбрано так/ чтобы обеспечить величины соответствующих емкостей/ необходимые для прохождения требуемого разрядного тока между зубцами гребенок электродов по диэлектрической поверхности 21 плазмообразующего элемента 1.

В одном варианте выполнения концы зубцов основного 12 и дополнительного 19 электродов касаются диэлектрической поверхностью 2 элемента 1 под острым углом к радиусам этой цилиндрической поверхности (фиг.1/ В-В). В другом варианте исполнения (фиг.2) зубцы основного электрода 12 касаются цилиндрической поверхности 2 керамической трубки 1 под острым углом к радиусам в точках касания/ а зубцы дополнительного электрода 19 касаются этой поверхности 2 выпуклой частью V-образного закругления. При этом вращение трубки 1 производится по часовой стрелке (фиг.2)/ тогда как в первом варианте исполнения направление вращения керамической трубки 1 может быть любым. Выбор того или иного варианта исполнения определяется качеством соприкасающихся поверхностей диэлектрических плазмообразующего элемента 1 металлического электрода (12/ 19) и обеспечением нормального скольжения соприкасающихся поверхностей.

На фиг.3 показано выполнение электродов с двухрядным расположением разрядных промежутков между основным 12 и дополнительным 19 электродами. В этом случае у обоих электродов (12/ 19) часть зубцов короче/ часть длиннее/ причем в каждом электроде чередуются зубцы разной длины. Короткие зубцы 22 основного электрода 12 расположены напротив длинных зубцов 23 дополнительного электрода 19/ а длинные зубцы 24 электрода 12 - напротив коротких зубцов 25 электрода 19. При этом ообразовано два ряда разрядных промежутков 26 и 27. Такое размещение разрядных промежутков позволяет увеличить ширину ленточного пучка излучаемых частиц/ так как на некотором расстоянии от поверхности 2 происходит выравнивание плотности излучаемых частиц по сечению пучка.

При необходимости формирования пучка излучаемых частиц трубчатого сечения диэлектрический плазмообразующий элемент 1 выполнен в виде керамической трубки (полого цилиндра) 28 с внутренней цилиндрической рабочей поверхностью 29 (фиг.4). Трубка 28 в таком случае закреплена на основании 10 катода с возможностью вращения в подшипнике 30 (фторопластовые прокладки). Оси основания 10 и керамической трубки 28 совпадают. Катод также размещен в герметизированном пространстве корпуса 14/ имеющего выводное окно 15.

На основании 10 катода закреплен неподвижно электрод 31 из фосфористой бронзы/ зубцы 32 которого имеют упругий механический контакт с внутренней цилиндрической рабочей поверхностью 29 керамической трубки 28. В нижней части 33 трубки 28 установлено металлическое кольцо 34/ имеющее зубья на своей нижней поверхности/ с которыми имеет сцепление шестеренка 35.

Шестеренка 35 закреплена на валу 36 из диэлектрического материала/ выведенном из корпуса 14 через уплотнение 16 и далее соединенном с валом электродвигателя (на чертеже не показан).

На внешней цилиндрической стороне 36 керамической трубки 28 размещен дополнительный кольцевой металлический электрод 37/ нанесенный на керамику/ например/ путем вжигания. Площадь дополнительного электрода 37/ расстояния от него до корпуса 14 и основного электрода 31 (т.е. величины соответствующих электрических емкостей) выбираются из условия обеспечения необходимого разрядного тока/ протекающего по разрядному промежутку 38/ в этом катоде/ находящемуся между зубцами 32 основного электрода 31 и верхним краем дополнительного электрода 37.

Пучок излучаемых частиц трубчатого сечения может быть получен также с помощьб катода/ показанного на фиг.5/ где диэлектрический плазмообразующий элемент выполнен с рабочей поверхностью в виде вращающегося вокруг своей оси круга 40. Для закрепления диэлектрического элемента на основании катода 10 элемент в целом имеет форму керамического стакана 39/ установленного в подшипнике 30 из фторопласта. Дном стакана 39 является круг 40. С рабочей поверхностью диэлектрического круга 40 имеют упругий механический контакт зубцы основного металлического кругового электрода 41/ закрепленного неподвижно непосредственно на основании 10 катода винтами 51/ и зубцами дополнительного кольцевого металлического электрода 42/ также закрепленного неподвижно на основании 10 с помощью металлического цилиндра 43 и диэлектрических стоек 44. В нижней части стакана 39 закреплено кольцо 45 с зубьями на нижней поверхности/ с которыми имеет зацепление шестерня 46/ установленная на пропущенном через отверстие 48 в металлическом цилиндре 43 диэлектрическом валу 47/ выделенном из корпуса 14 через уплотнение 49. Вал 47 соединен с электродвигателем (на чертеже не показан).

Кольцевой разрядный промежуток 50 образуется между зубцами основного 41 и дополнительного 42 металлических электродов. Площадь металлического цилиндра 43 и расстояние от него до корпуса 14 выбираются также из условия обеспечения необходимого тока в разрядном промежутке 50. Для закрепления электродов 31/ 51/ 43 на основании 10 и стойках 44 используются/ например/ винты 51.

В других вариантах исполнения (на чертежах не указано) плазмообразующий элемент 1 (фиг. 1) может быть выполнен в виде сплошного тела/ внешняя рабочая поверхность которого/ представляет собой/ например/ половину внешней поверхности цилиндра. При этом перемещение рабочей поверхности 2 относительно электродов 12/ 19 производится путем поворота такого полуцилиндра вокруг оси 8 то в одну/ то в другую сторону реверсированием двигателя.

Устройство работает следующим образом.

Внутри корпуса 14 создается требуемый вакуум. Включают электродвигатель/ вращающий вал (6/ 36 или 47). При этом плазмообразующая диэлектрическая поверхность (2/ 29 или 40) перемещается относительно электродов (12/ 19/ 31/ 41/ 42). Затем на основание 10 катода подают импульсы напряжения/ отрицательного по отношению к корпусу 14. С приходом импульса/ ускоряющего напряжения между зубьями основного электрода (12/ 31/ 41) и зубьями дополнительного электрода (19/ 42) или самим дополнительным электродом (37) происходит электрический заряд по рабочей поверхности керамического плазмообразующего элемента (1/ 28/ 39) в соответствующем разрядном промежутке (21/ 38/ 50).

Из образующейся при разряде плазмы за счет действия положительного потенциала корпуса 14 происходит эмиссия электронов/ проходящих через выводное окно 15 в атмосферу для их использования.

Под воздействием импульса ускоряющего напряжения происходит взрыв микроострий зубьев основного электрода. Начинается развитие электрического разряда на поверхности диэлектрика (керамика) со скоростью более 10⁷ см/с от кончиков зубьев гребенки основного электрода (12/ 31/ 41) по керамике в сторону анода (корпуса 14) или дополнительного электрода (19/ 37 или 42). Вдоль разрядных каналов формируется плазма/ включающая электроны и ионы. За счет взрывной эмиссии на зубцах основного электрода в плазму поступают избыточные электроны.

Под действием положительного потенциала из плазмы эмиттируются электроны/ направляющиеся к выводному окну 15.

При наличии только основного электрода разряд происходит под воздействием полного ускоряющего напряжения/ действующего между основанием 10 катода и корпусом 14.

В катоде с основным и дополнительным электродами разряд формируется под действием напряжения/ определяемого делением полного ускоряющего напряжения обратно пропорционально емкостям между основным электродом и дополнительным электродом на корпусе установки. Так как в процессе работы имеет место вращение керамического цилиндра (трубки/ стакана) и перемещение его поверхности относительно зубьев электродов/ то место поверхностного разряда постоянно обновляется и не локализуется/ не происходит местного перегрева участков диэлектрика.

В варианте осуществления изобретения использован диэлектрический плазмообразующий вращающий элемент из керамики типа 22ХС/ электроды из фосфористой бронзы при рабочем напряжении более 50 кВ. токе электронов более 1 кА/ длительности импульсов до 200 нс. На катод подано 10⁸ импульсов ускоряющего напряжения/ после чего рабочая поверхность диэлектрического плазмообразующего/ сказывающихся на эмиссии катода. Эмиссия катода сохранилась на начальном уровне.

Использование предложенного изобретения обеспечивает увеличение ресурса импульсных холодных катодов.

Использование: электронно-ионная ускорительная техника, а именно устройства для получения потоков заряженных частиц. Сущность изобретения: импульсный холодный катод с внешней цилиндрической керамической рабочей поверхностью содержит диэлектрический плазмообразующий элемент в виде цилиндрической керамической трубки, имеющей рабочую поверхность. Керамическая трубка установлена с возможностью вращения в металлической обойме, закрепленной на основании катода. На стойке обоймы закреплен основной гребенчатый металлический электрод, зубцы гребенки которого имеют упругий механический контакт с керамической рабочей поверхностью катода. Катод расположен в вакуумируемом пространстве корпуса ускорителя электронов, имеющем выводное окно. Основание катода соединено с отрицательным, а корпус - с положительным выводом импульсного источника питания. 1 с. и 9 з.п.ф-лы, 10 ил.

1. ИМПУЛЬСНЫЙ ХОЛОДНЫЙ КАТОД, содержащий металлическое основание и диэлектрический плазмообразующий элемент, рабочая поверхность которого имеет упругий механический контакт по крайней мере с одним металлическим гребенчатым электродом, основной из которых электрически соединен с металлическим основанием катода, отличающийся тем, что, с целью увеличения ресурса, катод снабжен средством перемещения рабочей поверхности диэлектрического элемента относительно по крайней мере основного гребенчатого электрода. 2.Катод по п.1, отличающийся тем, что дополнительный гребенчатый электрод изолирован от металлического основания катода. 3. Катод по пп.1 и 2, отличающийся тем, что диэлектрический плазмообразующий элемент выполнен в виде цилиндра или части цилиндра с возможностью его вращения вокруг своей оси, причем рабочей поверхностью диэлектрического элемента является внешняя поверхность цилиндра. 4. Катод по п.2, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности, каждый из зубцов дополнительного гребенчатого электродов, соосного с основным гребенчатым электродом, расположен напротив соответствующего зубца основного электрода так, что в каждой паре расположенных друг напротив друга зубцов разноименных электродов образован разрядный промежуток между концами этих зубцов. 5.Катод по п.4, отличающийся тем, что, с целью увеличения площади поперечного сечения пучка электронов, зубцы разноименных гребенчатых электродов, расположенные друг напротив друга, имеют разную длину, причем в каждом электроде чередуются зубцы с разной длиной. 6. Катод по пп. 4 и 5, отличающийся тем, что, с целью повышения срока службы гребенчатых электродов, зубцы одного из соседних разноименных электродов имеют концы в виде V-образного элемента, причем цилиндрический плазмообразующий элемент выполнен с возможностью вращения навстречу указанным зубцам. 7. Катод по п.1, отличающийся тем, что, с целью формирования трубчатого пучка электронов, диэлектрический плазмообразующий элемент выполнен в виде полого цилиндра, причем рабочей поверхностью является его внутренняя поверхность. 8. Катод по п.7, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности, в него введен выполненный в виде кольца металлический электрод, закрепленный концентрично основному гребенчатому электроду на внешней цилиндрической поверхности диэлектрического плазмообразующего элемента. 9.Катод по пп.1 и 2, отличающийся тем, что, с целью формирования трубчатого пучка электронов, диэлектрический плазмообразующий элемент выполнен в виде круга с возможностью вращения вокруг своей оси, плоская поверхность которого является рабочей, а основной гребенчатый электрод выполнен в виде круга меньшего диаметра, расположенного в центре диэлектрического плазмообразующего элемента. 10.Катод по п.9, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности, дополнительный гребенчатый электрод, соседний с круговым основным гребенчатым электродом, расположен вокруг него так, что между направленными навстречу друг другу зубцами разноименных электродов образованы разрядные промежутки.