ВТОРИЧНО-ЭМИССИОННЫЙ УСКОРИТЕЛЬ ЭЛЕКТРОНОВ Российский патент 1997 года по МПК H05H5/00 H01J29/48 

Изобретение относится к технике ускорения заряженных частиц, в частности к ускорителям электронов прямого действия с вторично-эмиссионным катодом на основе ионно-электронной эмиссии, и прианодной плазмой в качестве источника ионов. Подобные ускорители нашли широкое применение в радиационных технологиях, научных исследованиях и в качестве устройств ионизации электроионизационных лазеров.

Известны ускорители электронов на основе несамостоятельного высоковольтного тлеющего разряда (ВТР), которые благодаря простоте конструкции и эксплуатации получили хорошее распространение [1] Основными конструктивными элементами ускорителей ВТР являются: вторично-эмиссионный катод, высоковольтные вводы, узел анода ВТР с перфорированной отверстиями рабочей зоной, разделяющей вакуумную камеру на ускоряющий промежуток и полость прианодной плазмы с расположенными в ней ионизаторами того или иного типа, выводное фольговое окно, средства вакуумной откачки и напуска рабочего газа.

Известен ускоритель электронов на основе несамостоятельного ВТР с прианодной плазмой, создаваемой нормальным тлеющим разрядом орбитронного типа [2] обеспечивающий однородный широкоапертурный электронный пучок для различных применений. В полости прианодной плазмы натянуты электропроводящие нити, на которые подается напряжение положительной полярности. В зависимости от давления поджигающее напряжение колеблется от 1 до 15 кВ, напряжение горения разряда при этом зависит от давления очень слабо и составляет величину 600 В. При этом в полости прианодной плазмы соблюдается условие самостоятельности разряда:
<γ>*<Q_o>*p*d = 1 (1)
где <γ> усредненное значение коэффициента вторичной эмиссии;
<Q₀> усредненное значение сечения ионизации;
p рабочее давление;
d расстояние между электродами.

Трудности в конструировании таких ускорителей заключаются в противоречивости требований, предъявляемых к ускоряющему промежутку и к конструкции полости прианодной плазмы: требования высоковольтной прочности в ускоряющем зазоре вынуждают уменьшать рабочее давление, а требования стабильного и устойчивого поджига и горения вспомогательного разряда вынуждают увеличивать либо рабочее давление, либо размеры полости прианодной плазмы.

Известен ускоритель электронов [3] содержащий вакуумную камеру, электроды высоковольтного разряда вторично-эмиссионный катод и анод с отверстиями для пролета электронов, ионизационную камеру, расположенную между анодом ВТР и выводным окном с установленной на нем фольгой, электроды вспомогательного разряда в виде анодных стержней, подключенные к источнику питания положительной полярности и параллельных им термокатодных нитей, подключенных к источнику питания накала, при этом отрицательный конец термокатодных нитей находится под потенциалом стенок ионизационной камеры. Анодные и катодные электроды вспомогательного разряда расположены в ионизационной камере попарно за пределами рабочей зоны электродов высоковольтного тлеющего разряда и выводного окна. Вспомогательный разряд зажигается между проволочным термокатодом и анодом в ионизационной камере. Требуемая однородность распределения плотности тока по сечению электронного пучка обеспечивается одновременной работой двух ионизаторов генераторов плазмы вспомогательного разряда, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга, когда спад концентрации плазмы с удалением от одного источника компенсируется работой второго.

Однако, при значительном увеличении сечения генерируемого ускорителем электронного пучка и, соответственно, существенном увеличении расстояния между анодами вспомогательного разряда уже не удается обеспечить требуемую для газовых лазеров и ряда технологических применений равномерность распределения плотности тока по сечению пучка. Кроме того, при работе ускорителя такого типа в постоянном режиме, начиная с некоторого значения тока (мощности) вспомогательного разряда, проявляется неустойчивость его горения, приводящая к локальному контрагированию вспомогательного разряда, вследствие чего может возникать либо пробой, либо контрагирование основного (высоковольтного) тлеющего разряда, что в свою очередь приводит к пробою в газоразрядной камере лазера и к перенапряжению и авариям в самом ускорителе ВТР и его высоковольтном источнике питания.

Задача изобретения расширить диапазон рабочих давлений надежной работы ускорителя как в импульсно-периодическом, так и в непрерывном режимах от 1•10^-3 до 5•10^-5 Тор, повысить равномерность распределения плотности электронного тока по сечению пучка и повысить надежность работы ускорителя при высоких удельных мощностях.

Достигается это тем, что во вторично-эмиссионном ускорителе электронов, содержащем вакуумную камеру, разделенную заземленным анодом высоковольтного тлеющего разряда, перфорированным отверстиями, на высоковольтный промежуток, включающий вторично-эмиссионный катод, и полость прианодной плазмы, ограниченную с другой стороны опорной решеткой выводного фольгового окна, перфорированного отверстиями, соосными отверстиям в аноде, в полости прианодной плазмы размещены анодная электропроводящая нить, подключенная к источнику питания положительной полярности, и термоэмиссионная нить, подключенная к источнику накала, при этом термоэмиссионная нить подключена к источнику отрицательного напряжения и установлена таким образом, что выводное фольговое окно расположено между анодной электропроводящей и термоэмиссионной нитями.

Техническим результатом, возникающим при использовании изобретения, является значительное расширение рабочего диапазона значений p*d. Устойчивый поджиг и горение орбитронного разряда в полости прианодной плазмы обеспечивается при давлениях, удовлетворяющих требованиям высоковольтной прочности в высоковольтном промежутке. Удается поддерживать горение орбитронного разряда в небольших по объему разрядных промежутках.

Разнесение анодной и термоэмиссионной нитей по разные стороны сечения электронного пучка, либо их чередование в пределах большого сечения пучка обеспечивают высокую однородность распределения плотности тока электронного пучка по сечению.

Небольшая энергия термоэмиссионных электронов (25-250 эВ) обеспечивает необходимое увеличение усредненного сечения ионизации при давлениях 10^-1 -10^-3 Па.

Схематично устройство показано на фиг. 1, 2.

Вакуумная камера ускорителя 1 разделена перфорированным отверстиями заземленным анодом ВТР 4 на два промежутка: высоковольтный или ускоряющий 2 и полость прианодной плазмы 3.

В высоковольтном промежутке 2 на проходном изоляторе 5 установлен вторично-эмиссионный катод 6, подключенный к высоковольтному источнику питания ускоряющего напряжения. Полость прианодной плазмы 3 с противоположной аноду ВТР 4 стороны замыкается опорной решеткой выводного фольгового окна 7, перфорированной отверстиями, соосными отверстиям в аноде.

На проходных изоляторах 8 в полости прианодной плазмы 3 натянуты параллельно друг другу электропроводящие нити: анодная нить 9, подключенная к источнику питания положительной полярности, и катодная нить 10 из термоэмиссионного материала (например торированного вольфрама), подключенная к источнику питания отрицательного напряжения и накальному трансформатору. Электропроводящие нити 9 и 10 установлены за пределами и по разные стороны выводного фольгового окна.

Устройство работает следующим образом.

Вакуумная камера 1 ускорителя откачивается до рабочего давления. На термоэмиссионную нить 10 подается напряжение накала, обеспечивающее термоэмиссию с нити 10, одновременно на нить 10 подается регулируемое отрицательное напряжение (25-250 В) в зависимости от давления и от размеров полости прианодной плазмы 3.

При подаче на анодную нить 9 напряжения положительной полярности за счет орбитронного эффекта в полости прианодной плазмы 3 между анодной нитью 9 и заземленными частями полости прианодной плазмы зажигается тлеющий разряд. Напряжение поджига зависит от давления, размеров прианодной полости 3 и диаметра анодной нити 9, но при наличии в полости дополнительных термоэмиссионных электронов это напряжение невелико и составляет 0,2-1,5 кВ. Напряжение горения вспомогательного разряда в прианодной полости зависит от рода рабочего газа, состояния поверхности катода вспомогательного разряда, наличия дополнительного источника термоэлектронов и в этом случае не превышает 100-150 В.

При подаче на вторично-эмиссионный катод ускорителя 6 ускоряющего напряжения отрицательной полярности ионы из полости прианодной плазмы 3 через отверстия в аноде ВТР 4 втягиваются в ускоряющий промежуток 2 и ускоряются к катоду 6. Вторично-эмиссионные электроны, родившиеся в результате ионной бомбардировки катода 6, ускоряются в промежутке 2 к аноду ВТР и, проходя через отверстия анода ВТР 4, область прианодной плазмы 3 и отверстия в опорной решетке 7 с лежащей на ней фольгой, выводятся из ускорителя на объект облучения.

Таким образом, вне зависимости от размеров ускорителя удается расширить диапазон рабочих давлений, достигнуть высокой однородности в распределении плотности тока электронного пучка по сечению и повысить надежность работы ускорителя при высоких удельных мощностях.

Использование: в радиационной технике, в частности в устройствах ионизации газовых лазеров. Сущность изобретения: вторично-эмиссионный ускоритель электронов содержит вакуумную камеру 1, разделенную заземленным перфорированным анодом 4 на высоковольтный промежуток 2 и полость прианодной плазмы 3, выводное фольговое перфорированное окно 7 и вторично-эмиссионный катод 6. В полости прианодной плазмы 3 расположены анодная электропроводящая нить, подключенная к источнику питания накала и источнику отрицательного напряжения. Анодная и термоэмиссионная нити расположены с противоположных сторон относительно выводного фольгового окна 7. 2 ил.

Вторично-эмиссионный ускоритель электронов, содержащий вакуумную камеру, разделенную заземленным анодом высоковольтного тлеющего разряда, перфорированными отверстиями, на высоковольтный промежуток, включающий вторично-эмиссионный катод и полость прианодной плазмы, ограниченную с другой стороны опорной решеткой выводного фольгового окна, перфорированного отверстиями, соосными отверстиям в аноде, в полости прианодной плазмы размещены анодная электропроводящая нить, подключенная к источнику питания положительной полярности, и термоэмиссионная нить, подключенная к источнику питания накала, отличающийся тем, что термоэмиссионная нить подключена к источнику отрицательного напряжения и установлена таким образом, что выводное фольговое окно расположено между анодной электропроводящей и термоэмиссионной нитями.