ИСТОЧНИК СИЛЬНОТОЧНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ Российский патент 1994 года по МПК H01J15/02 H01J1/30 

Изобретение относится к физике электрического разряда в вакууме.

Известны источники сильноточных электронных пучков - металлические холодные катоды, в том числе сверхпроводящие.

Такие катоды позволяют получать сильноточные электронные пучки только в искровой стадии разряда, а в дуговой стадии разряда электронные потоки практически полностью релаксируют на расстоянии порядка 10^-4 см от катода и не доходят до анода, который в дуговой стадии разряда практически не разрушается.

Целью изобретения является получение сильноточных электронных пучков в искровой и дуговой стадиях разряда.

Это достигается применением известных высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) в качестве источника сильноточных электродных пучков.

В предложенном устройстве плазма дуги прозрачна для электронных потоков и они доходят до анода в искровой и в дуговой стадиях разряда. Это обеспечивает соответствие критериям "новизна" и "существенные отличия".

На фиг.1 показан анод после электрического разряда в вакууме; на фиг.2 - эрозионное пятно на ВТСП-катоде после электрического разряда в вакууме.

В экспериментах использовали ВТСП-катоды состава Y-Ba-Cu-O, в качестве анода - вольфрамовые электроды диаметром 0,1 мм и 0,2 мм. Между ВТСП-катодом и анодом устанавливали зазор d 100 мкм. В качестве датчика сверхпроводимости использовали магнитную стрелку от компаса, установленную на немагнитной игле от этого же компаса. Магнитную стрелку устанавливали так, чтобы один ее конец касался поверхности ВТСП-катода. Переход ВТСП-катода в сверхпроводящее состояние наблюдали визуально. В момент перехода в сверхпроводящее состояние между ВТСП-катодом и магнитной стрелкой возникал зазор 1-2 мм (эффект Мейсснера). При переходе из сверхпроводящего состояния в нормальное зазор исчезал. Датчик сверхпроводимости устанавливали приблизительно на расстоянии 1 см от места разряда.

ВТСП-катод предварительно переводили в сверхпроводящее состояние. После этого на промежуток между ВТСР-катодом и анодом подавали постоянное напряжение.

В качестве ВТСП-катодов использовали два разных образца состава Y - Ba - Cu - O. В первом случае разряды происходили при напряжениях 150 - 250 В, разрядный ток достигал I 1 A. При этом выгорало 3 - 5 мм вольфрамового электрода с образованием шарика на конце (см. фиг.1). В момент разряда сверхпроводимость исчезала и возникала вновь через 10 - 100 с после разряда. На ВТСП-катоде возникало эрозионное пятно диаметром d ≈ 1 мм, вокруг которого наблюдался кольцеобразный налет вещества анода. Этот налет легко удалялся при прикосновении, и с течением времени осыпался. В результате разрядов ВТСП-катод терял порядка 10^-4 - 10^-3г вещества и анод терял порядка 10^-4 - 10^-3 г вещества. Для испарения 10^-4г вольфрама требуется энергия Е > 1 Дж. При указанных напряжениях и токе такая энергия может быть передана аноду за время t > 0,01 с.

С другой стороны в адиабатическом режиме разлета катодного факела скорость движения передних слоев V_max определяется из соотношения [1]:
U_max = , где γ - показатель адиабаты (для одноатомного газа γ = );
ε_o - энергия сублимации.

Считая энергию сублимации ВТСП-катода ε_o = 10³ - 10⁴ Дж/г, получим V_max > 10⁵ см/с. Отсюда грубо можно оценить время искровой стадии разряда. Оно составит t < 10^-7 с. Энергия, переданная аноду электронным пучком за это время, не превышает 10^-5 Дж. Этого не достаточно для испарения 10^-4 г вольфрама. Значит основная масса анода была разрушена в дуговой стадии разряда, т.е. плазма дуги была прозрачна для электронного пучка.

При использовании в качестве ВТСП-катода другого образца состава Y - Ba - Cu - O разряд происходил при напряжении U ≈ 400 В, ток достигал I 10 A. В момент разряда сверхпроводимость также исчезала и возникала вновь через t < 10 с после разряда, т.е. не смотря на большее энерговыделение в разряде сверхпроводимость восстанавливалась быстрее, чем в первом случае. В результате разряда в области эрозионного пятна ВТСП-катода откололось несколько мелких кусков образца, поэтому оценить потерю массы катода не удалось. В результате разряда испарилось порядка 10^-3 г вольфрамового анода, наблюдались следы плавления на медном держателе анода и следы разрушения на изоляторе, в котором крепился медный держатель вольфрамового анода. Очевидно, что за искровую стадию разряда электронным пучком была передана аноду энергия порядка 10^-4 - 10^-3 Дж. Этой энергии не достаточно для испарения 10^-3 г вольфрамового анода, т.е. и в этом случае основная масса анода была разрушена в дуговой стадии разряда.

Для сравнения проводили многочисленные разряды при использовании охлажденных ВТСП-катодов, находящихся в нормальном состоянии. Разряды происходили как с разрушением ВТСП-катодов, так и без разрушения. В случае разрушения ВТСП-катода эрозионное пятно имело такой же вид, как и при использовании сверхпроводящих ВТСП-катодов, но в отличие от сверхпроводящих ВТСП-катодов вокруг эрозионного пятна отсутствовал налет вещества анода (см. фиг. 2). При использовании охлажденных ВТСП-катодов, находящихся в нормальном состоянии, не наблюдалось ни одного случая испарения анода. При использовании сверхпроводящих ВТСП-катодов всегда происходили значительные потери массы анода в результате его испарения.

Использование известных высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) в качестве источников сильноточных электронных пучков позволяет создавать электронные пушки с уникальными характеристиками пучков, которые не могут быть получены с помощью металлических катодов. Такие пучки открывают, например, новые возможности обработки различных материалов, новые направления физических исследований.

Использование: физика электрического разряда в вакууме (в искровой и дуговой стадии разряда). Источник сильноточных электронных пучков содержит холодный катод из высокотемпературного сверхпроводника - Y - Ba - Cu - O. 2 ил.

ИСТОЧНИК СИЛЬНОТОЧНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ на основе взрывной эмиссии, выполненный из сверхпроводящего материала, отличающийся тем, что, с целью увеличения длительности импульса тока путем отбора тока в дуговой стадии разряда, в качестве сверхпроводящего материала использован высокотемпературный сверхпроводник состава Y-Ba-Cu-O.