ШИРОКОАПЕРТУРНЫЙ ПЛАЗМЕННЫЙ ЭМИТТЕР Российский патент 1997 года по МПК H01J37/77 H01J15/02 H01J1/30 

Изобретение относится к плазменной эмиссионной электронике, в частности к конструкции плазменных ионных и электронных эмиттеров непрерывного действия с большой поверхностью на основе объемного разряда с холодными электродами, и может быть использовано для термической обработки в вакууме: при спекании изделий из металлических порошков, пайке, закалке, а также в технологических процессах, например, обезгаживания деталей с последующей активизацией и нанесением покрытий, когда требуется комбинация электронных и ионных пучков, решаемая в едином цикле путем переключения полярности ускоряющего частицы напряжения.

Известны плазменные эмиттеры непрерывного действия с большой поверхностью на основе инжекции заряженных частиц из низковольтного отражательного разряда с холодным полым катодом в специальный полый электрод (формирователь) [1, 2, 3] Недостатком таких плазменных эмиттеров является низкая эффективность извлечения заряженных частиц, а меры, принимаемые для улучшения однородности эмиссии, значительно усложняют схему и конструкцию всего эмиттера.

Известная конструкция плазменного эмиттера [4] выбранная в качестве прототипа, состоит из разрядной камеры вспомогательного разряда, возбуждаемого в промежутке, ограниченном полым катодом, вспомогательным катодом и анодом, и из разрядной камеры основного разряда, содержащей анод-формирователь (экспандер), торец которого перекрыт эмиттерным электродом в виде сетчатого или перфорированного диска. На оси формирователя устанавливается перераспределяющий электрод в виде перфорированного стального диска.

Сначала возбуждается отражательный разряд с полым катодом. Заряженные частицы из этого разряда через осевое отверстие во вспомогательном катоде проникают в основной разрядный промежуток, образованный вспомогательным катодом, эмиссионным электродом и формирователем. Продольное магнитное поле создается постоянным кольцевым магнитом.

В зависимости от потенциала формирователя и давления в нем существует три режима работы плазменного эмиттера:
режим проникающей плазмы с дальнейшим ее расширением в экспандере;
режим извлечения потока электронов из разрядной камеры вспомогательного разряда к эмульсионному электроду и образования этим потоком плазмы в экспандере;
режим при повышенном давлении >5•10^-2 Па, когда между катодами и экспандером зажигается объемный разряд. Отбор заряженных частиц ведется с различной эффективностью извлечения, зависящей от режимов и условий горения вспомогательного и основного разрядов.

Недостатком известной конструкции является низкая эффективность извлечения при работе в режиме проникающей плазмы; для осуществления второго режима, приводящего к проникновению расходящегося потока электронов с максимальной плотностью на оси, необходимо введение перераспределяющего электрода, обеспечивающего однородность извлечения заряженных частиц. Однако введение перераспределяющего электрода приводит к росту тока на боковую поверхность формирователя, следовательно, к снижению эффективности эмиссии. Наиболее эффективным является режим объемного разряда в формирователе, но существующий порог минимально допустимого давления при этом режиме ухудшает прочность, приводит к пробою ускоряющего промежутка. Уменьшение рабочего давления осуществляется с помощью магнитного поля, создаваемого соленоидом [3] то есть для зажигания объемного (основного) разряда требуется ввод дополнительного оборудования, что усложняет конструктивную схему в целом, увеличивает металлоэнергоемкость.

Цель изобретения повышение надежности, экономичности и эффективности эмиттера.

Указанная цель достигается тем, что в широкоапертурном плазменном эмиттере, выполненном в едином узле электродных систем вспомогательного тороидального и основного объемного разрядов и содержащем катодные и анодные электроды, катодный электрод основного разрядного пространства выполняется плоским и сетчатым, анодный электрод выполняется общим, а катодный электрод вспомогательного разрядного промежутка стержневым.

На чертеже показана схема эмиттера.

Широкоапертурный плазменный эмиттер содержит полый анод 1 в форме цилиндрического тороида с диаметром внешнего цилиндра 200 мм и 28 стержневых катодов 2 сечением 10х10 мм. Стержни радиально и на половину длины заглублены в полость анода через отверстия во внешнем цилиндре. Перемычками выступающих на периферии анода стержней являются 56 попарно скрепленных постоянных стержневых магнитов 3 (20х7х10 мм) из SmCO₅. Магниты заключены в герметичную полость и охлаждаются потоком воздуха, нагнетаемого компрессором СО45Б. Стержневые катоды делят полость анодного электрода на 28 ячеек. Индукция магнитного поля в каждой из ячеек 8•10^-2 10^-1 Тл, причем магнитное поле в ячейках направлено вдоль рамки анода, и периодически от ячейки к ячейке направление магнитного поля меняется на противоположное. По средней линии внутреннего цилиндра анода 1, имеющего диаметр 154 мм, выполнена кольцевая прорезь 4 высотой проходного сечения 2 мм. Края прорези оконтурены магнитной сталью [5] Все ячейки сообщаются через прорезь с основным разрядом промежутков, состоящим из пластинчатого катода 5 в виде диска диаметром 205 мм, сетчатого катода 6, выполненного из стальной сетки с размерами фрагментов 1х1 мм и прозрачностью 0,64, и анода, которым служит внутренний цилиндр тороида. Внутренний цилиндр, как составная часть полого анода 1, является общим для вспомогательного и основного разрядов. Протяженность промежутков между плоскопараллельными дисковым 5 и сетчатым 6 катодами 30 мм. Камеры вспомогательного и основного разрядов вакуумировались через сетчатое окно диаметром 140 мм в катоде 6. Плазмообразующий газ (аргон, воздух) натекал в плоскость анода 1 из четырех диаметрально противоположных отверстий. Заряженные частицы (электроны и ионы) извлекались на коллектор 7 - металлический диск диаметром 130 мм. Протяженность промежутка ускорения составляла 7 мм.

Широкоапертурный плазменный эмиттер работает следующим образом. Сначала вакуумируются камеры вспомогательного и основного разрядов последовательно включенными насосами: вращательным НВПР-16-066 и паромасляным Р-160/700 до остаточного давления ≈4•10^-3 Па. Затем устанавливается рабочее давление газа в пределах 1 2,6•10^-2 Па. Приложение напряжения, как показано на чертеже, между катодами 2, 5, 6 и анодом 1 приводит к зажиганию вспомогательного разряда с растущей вольт-амперной характеристикой. Прианодный слой пространственного заряда перекрывает апертуру кольцевой прорези 4 и отделяет плазму от полости основного разряда. Полость же не оказывает заметного влияния на горение разряда. Однако в этой ситуации в цепи сетчатого и пластинчатого катодов регистрируется ионный ток. Уходу ионов из вспомогательного разряда на сетчатый и пластинчатый катоды способствует возникающее в разряде отрицательное анодное падение потенциала. С ростом тока вспомогательного разряда доля ионов, проникающих в полость сетчатого и пластинчатого катодов, увеличивается, анодный пристеночный слой пространственного заряда перестает полностью перекрывать высоту прорези и плазма вспомогательного заряда из 28 ячеек радиально проникает в полость между сетчатым и пластинчатым катодами и внутренним цилиндром полого катода [5] При этом благодаря тому, что плазма является источником ионов и излучения, эмиссионные процессы распространяются на стенки пластинчатого и сетчатого катодов. Электрическое поле прикатодных слоев обеспечивает колебания электронов между катодами, что повышает частоту неупругих взаимодействий электронов с газом. Все это в конечном итоге приводит к повышению плотности плазмы в межкатодной полости, увеличению разрядного тока и падению напряжения горения разряда. Зажигается основной разряд с общим анодом. Заряженные частицы (электроны и ионы) извлекаются на коллектор 7 подачей плавно регулируемого электрического напряжения 0 10 кВ соответствующей полярности от высоковольтного выпрямителя между заземленным сетчатым катодом 6 и изолированным коллектором 7.

В условиях технологического применения широкоапертурного плазменного эмиттера (извлекающее напряжение 10 кВ, ускоряющий промежуток 7 мм, давление аргона в промежутке 4•10^-2Па) сформирован пучок электронов поперечным сечением 140 мм, током 0,1 0,2 А. При смене полярности извлекающего напряжения получен пучок ионов диаметром 140 мм, током 0,015 А. Возбуждаемая стационарная объемная плазма высокооднородна. Равномерность распределения плотности тока ≈0,05.

Использование широкоапертурного плазменного эмиттера, построенного на принципе сосредоточения вспомогательного разряда на периферии и по всему периметру радиально широкой и аксиально короткой цилиндрической электродной полости, обеспечивает генерирование стационарной высокооднородной плотной плазмы. По конструктивному исполнению плазменный эмиттер проще эмиттеров большой площади со вспомогательным разрядом [4] с аксиальной инжекцией заряженных частиц в цилиндрический анод- формирователь (экспандер). Исключение дополнительных элементов, не влияющих на конечные параметры прибора, снижает металлоемкость и трудозатраты на изготовление.

Использование: в плазменной эмиссионной электротехнике, в частности в конструкции плазменных ионных и электронных эмиттеров непрерывного действия с большой поверхностью на основе объемного разряда с холодными электродами, для термической обработки в вакууме, при спекании изделий из металлических порошков, пайки, закалки, а также в технологических процессах, например, обезгаживании деталей с последующей активацией и покрытием поверхностей, когда требуется комбинация электронных и ионных пучков, решаемая в едином узле путем переключения полярности ускоряющего частицы напряжения. Сущность изобретения: в широкоапертурном эмиттере, выполненном в едином узле электродных систем вспомогательного кольцевого и основного объемного разрядов и содержащем общий анод и катоды, плоские катоды, один из которых сетчатый, магнитную систему, общий анод выполнен в форме цилиндрического тороида, в полость тороида со стороны внешнего цилиндра на половину длины заглублены стержневые катоды. Внутренний цилиндр тороида снабжен кольцевой прорезью и образует с торцовыми плоскими катодами полость, а на периферии внешнего цилиндра стержневые катоды перемкнуты магнитами и, следовательно, образуют магнитную цепь с продольным магнитным полем в полости тороида. 1 ил.

Широкоапертурный плазменный эмиттер, содержащий основное и вспомогательное разрядные пространства с электродными системами, включающими катодные и анодные электроды, причем катодный электрод основного разрядного пространства выполнен плоским и сетчатым, систему постоянных магнитов, отличающийся тем, что анодный электрод выполнен общим, а катодный электрод вспомогательного разрядного промежутка стержневым.