СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2004 года по МПК H01J3/02 H01J29/48 H01J37/06 

Изобретение относится к электронике и может быть использовано при создании электронных приборов, лазеров, а также в плазмохимии, спектроскопии, при обработке материалов, электронно-лучевой сварке и в диагностических измерениях.

Известен способ получения электронного пучка (патент США 4641316, МПК 4 Н 01 S 3/09), включающий осуществление высоковольтного разряда в разрядном промежутке между катодом и анодом в объеме разрядной камеры, заполненной газом, ускорение и извлечение электронного пучка через отверстие в аноде. При этом высоковольтный разряд осуществляют в непрерывном режиме, используя аномальный тлеющий разряд. Причем если увеличивают напряжение, то понижают давление газа в разрядной камере. Ускоряют электроны в области катодного падения потенциала. Анод используют кольцевой. На катоде, выполненном из алюминия или магния, применяют окисное покрытие Аl₂О₃ или Mg₂O₃, либо высоковольтный разряд осуществляют в смеси газов с небольшой примесью кислорода.

Недостатками данного способа являются низкая эффективность формирования электронного пучка и сильное распыление катода, сокращающее срок его службы. Причины недостатков заключаются в следующем. Для получения электронов используют их эмиссию из катода под действием ионов, ускоренных в области катодного падения потенциала и бомбардирующих катод, ионы, ускоряясь в области катодного падения потенциала, приобретают значительную энергию и замыкают часть тока на катод, снижая тем самым эффективность формирования электронного пучка.

Кроме того, режим большого тока ионов на катод, необходимый для получения электронов, и высокая величина энергии ионов, необходимая для повышения эффективности формирования электронного пучка, разрушают окисное покрытие, которое используют для повышения коэффициента ионно-электронной эмиссии, в результате имеет место быстрый выход катода из строя.

Другой известный способ получения электронного пучка (а.с. СССР 820511, МПК 3 Н 01 J 39/35) включает осуществление высоковольтного разряда в разрядном промежутке между катодом и анодом в объеме разрядной камеры, заполненной газом, ускорение и извлечение электронного пучка через отверстия в аноде, подачу на катод светового потока, вызывающего фотоэффект, от внешнего по отношению к разрядному промежутку источника излучения при осуществлении высоковольтного разряда. При этом высоковольтный разряд осуществляют в импульсном режиме, при более, чем двукратном его перенапряжении, величина давления газа в разрядной камере составляет свыше 0,1 Торр, причем если увеличивают напряжение, то понижают давление газа в разрядной камере, электроны ускоряют в области катодного падения потенциала, а анод используют сетчатый.

Недостатком данного способа является низкая эффективность формирования электронного пучка вследствие необходимости использования сетчатого анода и вследствие того, что в своем движении внутри ускорительного промежутка от катода к аноду электроны производят ионизацию рабочего газа. Ионы, ускоряясь в области катодного падения потенциала, приобретают значительную энергию и замыкают часть тока на катод, снижая тем самым эффективность формирования электронного пучка. Другим существенным недостатком является распыление катода, что приводит к ограничению срока его эксплуатации. Причина этого недостатка - существование значительного ионного тока на катод, формируемого ионами, ускоренными в области катодного падения потенциала.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ получения электронного пучка (А.Р.Сорокин. Непрерывный электронный пучок в открытом разряде. Журнал технической физики, т.65, в.5, 1995, с.198-201), включающий осуществление высоковольтного разряда в разрядном промежутке между катодом и анодом в объеме разрядной камеры, заполненной газом, ускорение и извлечение электронного пучка через отверстия в аноде, подачу на катод светового потока, вызывающего фотоэффект, от внешнего по отношению к разрядному промежутку источника излучения при осуществлении высоковольтного разряда.

Причем высоковольтный разряд осуществляют в непрерывном режиме, при этом если увеличивают напряжение, то понижают давление газа в разрядной камере, величину подаваемого напряжения варьируют от 1 до 6 кВ, величина давления газа в разрядной камере составляет от 1 до 10 Торр, в качестве внешнего по отношению к разрядному промежутку источника излучения используют дрейфовое пространство за анодом, электроны ускоряют в области катодного падения потенциала, а анод используют сетчатый.

Недостатком данного технического решения является сравнительно низкая эффективность формирования электронного пучка вследствие необходимости использования сетчатого анода и вследствие того, что в своем движении внутри ускорительного промежутка от катода к аноду электроны производят ионизацию рабочего газа. Ионы, ускоряясь в области катодного падения потенциала, приобретают значительную энергию и замыкают часть тока на катод, снижая тем самым эффективность формирования электронного пучка. Другим существенным недостатком является распыление катода, происходящее из-за значительного ионного тока на катод, формируемого ионами, ускоренными в области катодного падения потенциала.

Техническим результатом изобретения является:
- повышение эффективности формирования электронного пучка;
- уменьшение распыления катода.

Технический результат достигается тем, что в способе получения электронного пучка проводят в непрерывном режиме высоковольтный разряд в разрядном промежутке между катодом и анодом в объеме разрядной камеры, заполненной газом, ускоряют и извлекают электронный пучок через отверстия в аноде, осуществляют подачу на катод светового потока, вызывающего фотоэффект, от внешнего по отношению к разрядному промежутку источника излучения при проведении высоковольтного разряда, при этом если увеличивают напряжение, то понижают давление газа в разрядной камере.

В качестве внешнего по отношению к разрядному промежутку источника излучения используют дрейфовое пространство за анодом, вблизи катода формируют протяженную область с низким градиентом потенциала, в объеме разрядной камеры между протяженной областью с низким градиентом потенциала и анодом используют вставку с диэлектрическими каналами, в которых осуществляют ускорение электронов, а в качестве анода используют плоскую пластину с просверленными отверстиями.

В способе получения электронного пучка величину напряжения, подаваемого в непрерывном режиме, варьируют от 1,5 до 10 кВ, а соответствующее давление - от 6 до 12 Торр.

Технический результат достигается тем, что в способе получения электронного пучка проводят высоковольтный разряд в разрядном промежутке между катодом и анодом в объеме разрядной камеры, заполненной газом, ускоряют и извлекают электронный пучок через отверстия в аноде, осуществляют подачу на катод светового потока, вызывающего фотоэффект, от внешнего по отношению к разрядному промежутку источника излучения при проведении высоковольтного разряда, при этом если увеличивают напряжение, то понижают давление газа в разрядной камере, в качестве внешнего по отношению к разрядному промежутку источника излучения используют дрейфовое пространство за анодом, высоковольтный разряд осуществляют в импульсном режиме, вблизи катода формируют протяженную область с низким градиентом потенциала, в объеме разрядной камеры между протяженной областью с низким градиентом потенциала и анодом используют вставку с диэлектрическими каналами, в которых осуществляют ускорение электронов, а в качестве анода используют плоскую пластину с просверленными отверстиями.

В способе получения электронного пучка величину подаваемого в импульсном режиме напряжения варьируют от 1,5 до 10 кВ, а соответствующее давление - от 8 до 16 Торр.

Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми к нему чертежами.

На фиг. 1 схематично изображена разрядная камера, содержащая катод 1, плоский анод 2 в виде пластины с просверленными отверстиями, вставку с диэлектрическими каналами 3, выполненную из кварца, причем диэлектрические каналы располагают соосно отверстиям в аноде, и коллектор электронов 4.

На фиг.2 показана вольт-амперная характеристика, например, непрерывного разряда в гелии (аналогичные вольт-амперные характеристики получены для импульсного разряда), демонстрирующая высокую эффективность формирования электронного пучка, где 5 - зависимость тока анода, компенсирующего ток ионов на катод, от величины напряжения между катодом и анодом при давлении гелия, равном 8,1 Торр, 6 - зависимость тока анода, компенсирующего ток ионов на катод, от величины напряжения между катодом и анодом при давлении гелия, равном 9,5 Торр, 7 - зависимость тока электронов пучка на коллекторе от величины напряжения между катодом и анодом при давлении гелия, равном 8,1 Торр, 8 - зависимость величины суммарного тока с катода от величины напряжения между катодом и анодом при давлении гелия, равном 8,1 Торр, 9 - зависимость величины суммарного тока с катода от величины напряжения между катодом и анодом при давлении гелия, равном 9,5 Торр, 10 - зависимость эффективности формирования электронного пучка от величины напряжения между катодом и анодом при давлении гелия, равном 8,1 Торр, 11 - зависимость эффективности формирования электронного пучка от величины напряжения между катодом и анодом при давлении гелия, равном 9,5 Торр.

Осуществление заявляемого способа в разрядной камере (фиг.1) происходит следующим образом. Повышением напряжения между катодом и анодом переводят электроны, эмитированные катодом, в режим ускорения и выносят в дрейфовое пространство за анодом. Часть ускоренных электронов, рожденных на катоде под выполненной из кварца вставки с диэлектрическими каналами, попадает на ее поверхность и заряжает ее до потенциала U=E/e, где Е и е - соответственно энергия и заряд электрона. Тем самым формируют протяженную область с низким градиентом потенциала, так как поле в промежутке вставка с диэлектрическими каналами - катод практически полностью исчезает.

Взаимодействием поля, создаваемого заряженной вставкой с диэлектрическими каналами, с приложенным полем создают эквипотенциальные поверхности типа поверхности АВ, показанной на фиг.1, величина потенциала на которой близка к приложенному напряжению, U_АВ~U_к. Электроны, эмитированные катодом, в начале своего пути направляют через протяженную область с низким градиентом потенциала и только затем ускоряют до энергии E=eU_к и производят ими ионизацию газа. Поскольку вставку с диэлектрическими каналами заряжают до потенциала примерно соответствующего потенциалу катода, то ускоряющее поле существенно только в диэлектрических каналах. Поэтому образование ионов и вторичных электронов происходит преимущественно в этих каналах и в дрейфовом пространстве за анодом.

Вследствие эффективного протекания процессов амбиполярной диффузии они рекомбинируют на стенках каналов и на катоде, не вызывая переноса тока между катодом и анодом. Быстрые ионы, рожденные в области высокого градиента потенциала, расположенной за эквипотенциальной поверхностью АВ, рассеивают свою энергию в упругих соударениях с атомами рабочего газа и также теряют свою способность векторно переносить ток на катод. В итоге подавляющую часть тока в камере переносят электроны пучка.

Для оптимального выбора интервала напряжения были построены зависимости изменения эффективности формирования электронного пучка от подаваемого напряжения (как при подаче напряжения в непрерывном режиме, так и в импульсном), например, при вариации его от 450 В до 4 кВ (фиг.2, кривые 10 и 11, непрерывный режим подачи напряжения). Оптимальный интервал значений подаваемого напряжения как в непрерывном, так и в импульсном режиме составил 1,5÷10 кВ.

При изменении напряжения горения от зажигания U~450 В до U~650 В генерация электронного пучка происходит как в способе получения электронного пучка (патент США 4641316, МПК 4 H 01 S 3/09), где использован аномальный тлеющий разряд. Эффективность формирования электронного пучка выражается соотношением
η=j_e/(j_e+j_i), (1)
гдe j_i - плотность тока ионов, бомбардирующих катод;
j_e - плотность тока эмиссии электронов.

Так как
j_e = γ_ij_i (2),
где γ_i - коэффициент ионно-электронной эмиссии, то
η = γ_i/(γ_i+1) (3).
Данный интервал значений напряжения характеризуется невысокими соответствующими значениями эффективности формирования электронного пучка, так как γ_i меньше 0,5. Высокую эффективность формирования электронного пучка можно получить только при более высоком напряжении.

В интервале значений напряжения от U~650 В до U~1200 В значения эффективности формирования электронного пучка постепенно повышаются до η~95%, так как, помимо электрон-ионной эмиссии, значительно возрастает фотоэмиссия.

Одновременно с этим набираемая электронами энергия становится настолько значительной, что они заряжают поверхность вставки с диэлектрическими каналами до потенциала, близкого к значению приложенного напряжения. В результате поле в промежутке катод - вставка с диэлектрическими каналами резко ослабляется, принимая вид, показанный на фиг.1 (эквипотенциальная поверхность АВ). Совместно с действием амбиполярного механизма гибели ионов и вторичных электронов это вызывает глубокое падение ионного тока на катод и электронного тока на анод. Падение значения анодного тока настолько велико, что приводит к возникновению участка с падающей вольт-амперной характеристикой и для суммарного тока, фиг.2 кривая 8. Однако при этом рост тока электронного пучка сохраняется (фиг.2 кривая 7).

В интервале от U~2 кВ до U~5 кВ значения напряжения настолько велики, что электроны переходят в режим ускорения во всем разрядном промежутке между катодом и анодом, а не только в области вблизи эквипотенциальной поверхности АВ. Поэтому в основном они производят ионизацию внутри диэлектрических каналов кварцевой вставки и в области дрейфового пространства. Вследствие развитости боковой структуры диэлектрических каналов вставки, ионы и вторичные электроны, рожденные там, гибнут на стенках в результате процессов амбиполярной диффузии, что уменьшает приток ионов в прикатодную область и вызывает ослабление ионного тока на катод, а также компенсирующего его электронного тока на анод.

Все это приводит к увеличению эффективности формирования электронного пучка до величины η~99,5% при значении тока электронов I_е~15÷20 мА.

В этом интервале варьирования значения напряжения реализуются оптимальные условия формирования электронного пучка по заявляемому способу. Превышение электронного тока над ионным достигает фактора I_е/I_i=200, что значительно выше, чем в известном способе. В таком же соотношении уменьшается и скорость распыления катода. При миллисекундных импульсах возбуждения, когда разогрев газа и его вытеснение из камеры меньше, значение η еще выше и достигает значения равного 99,8% или более, значение фактора I_e/I_i=500.

При более высоких напряжениях, чем значения рассмотренного интервала, ионы, ускоренные в зоне за эквипотенциальной поверхностью АВ, приобретают настолько большую энергию, что уже могут "пробить" протяженную область с низким градиентом потенциала и достигнуть катода, что приводит в данном случае к постепенному снижению эффективности формирования электронного пучка при I_е~20 мА и более и в зависимости от давления газа в разрядной камере при подаваемом напряжении U от 4 до 5 кВ. При давлении газа в разрядной камере, равном Р=4 Торр, падение эффективности формирования электронного пучка имеет место при подаваемом напряжении 10 кВ. "Пробой" происходит из-за быстрого снижения сечения столкновения иона с атомами газа при увеличении энергии иона. В результате происходит перенос потенциала вглубь протяженной области с низким градиентом потенциала, что уменьшает ее толщину, и, наконец, при U более 5 кВ (I_e~100 мА и более) имеет место зажигание аномального разряда и резкое (до ~ 80% и ниже) снижение эффективности формирования электронного пучка.

Для выбора интервала давления газа в разрядной камере, в котором имеет место повышение эффективности формирования электронного пучка, были проведены эксперименты при изменении давления газа в камере от 4 до 20 Торр. Оптимальный интервал значений газа в разрядной камере составил 6÷12 Торр при подаче напряжения в непрерывном режиме. При подаче напряжения в импульсном режиме данный интервал составил - 8÷16 Торр.

Направление на катод светового потока, вызывающего фотоэффект, от внешнего по отношению к разрядному промежутку источника излучения при проведении высоковольтного разряда повышает выход электронов с катода, что эквивалентно повышению γ_i (соотношение 2), и тем самым повышает η (соотношение 3) и приводит к относительному уменьшению распыления катода.

Использование дрейфового пространства за анодом в качестве источника излучения, вызывающего фотоэффект, позволяет получить как непрерывный, так и импульсный режим формирования электронного пучка.

В заявляемом способе в качестве анода используют плоскую пластину с просверленными отверстиями, и расположенную позади вставки с диэлектрическими каналами (3) (фиг.1). Это является фактором способствующим повышению эффективности формирования электронного пучка, так как анод в этом случае не перехватывает ток быстрых электронов, как в известном способе пучка (А.Р. Сорокин. Непрерывный электронный пучок в открытом разряде. Журнал технической физики, т.65, в.5, 1995, с.198-201), а формирование вблизи катода протяженной области с низким градиентом потенциала приводит к дополнительному росту эффективности формирования электронного пучка. Действительно, как показано (П.А.Бохан. Механизм формирования и генерация интенсивных электронных пучков в открытом разряде. Журнал технической физики, т.61, в.6, 1991, с. 61-68), эффективность формирования электронного пучка без учета потерь в анодной сетке равна
η_вн = 1/(1+(θδdw/dx)/w₀) (4),
где θ - доля энергетических затрат электронного пучка, идущая на ионизацию, которая составляет от 60 до 70% для благородных газов;
δ - длина ускорительного зазора;
dw/dx - энергетические потери пучка при движении в газе;
w₀ - средняя энергия, затрачиваемая на образование одного иона.

Например, в гелии при давлении Р_He=10 Торр, U=2 кВ и δ=0,7 мм потери dw/dx=185 эВ/см. Так как для гелия w₀~50 эВ, то, в соответствии с соотношением (4), в этом режиме η_вн = 86,5%. Если геометрическая прозрачность анодной сетки μ= 85%, то в итоге эффективность формирования электронного пучка в известном способе (А. Р. Сорокин. Непрерывный электронный пучок в открытом разряде. Журнал технической физики, т.65, в.5, 1995, с.198-201) составляет всего η~ 74%. В заявляемом способе эффективность формирования электронного пучка намного выше см. фиг.2 (кривая 10, 11).

При ионной бомбардировке катода скорость распыления его пропорциональна плотности тока ионов на катод, и составляет, в зависимости от материала катода и энергии ионов, 0,2-1,5 атома/ион (М.А.Завьялов, Ю.Б.Крейдель, А.А. Новиков, Л. П. Шантурин. Плазменные процессы в технологических электронных пучках. М. : Энергоиздат, 1989, 256 с.). Так как в заявляемом способе величина плотности тока ионов на катод в десятки раз меньше, чем в известных способах (А.Р.Сорокин. Непрерывный электронный пучок в открытом разряде. Журнал технической физики, т.65, в.5, 1995, с.198-201; а.с. СССР 820511, МПК 3 Н 01 J 39/35; патент США 4641316, МПК 4 Н 01 S 3/09), то соответственно и распыление катода - в десятки раз меньше.

Пример 1
При давлении газа в разрядной камере, равном 10,1 Торр, напряжении в непрерывном режиме U= 2,5 кВ, при I_e=20 мА эффективность формирования электронного пучка составляет 99,2%.

Пример 2
При давлении газа в разрядной камере, равном 9,1 Торр, напряжении в непрерывном режиме U=3,6 кВ, при I_е=25 мА эффективность формирования электронного пучка составляет около 99,4%.

Пример 3
При давлении газа в разрядной камере, равном 7,6 Торр, напряжении в непрерывном режиме U=5,1 кВ, при I_е=20 мА эффективность формирования электронного пучка составляет около 99,3%.

Пример 4
При давлении газа в разрядной камере, равном 8,1 Торр, напряжении в импульсном режиме U=8 кВ, при I_е=70 мА, длительности импульса τ=1mS эффективность формирования электронного пучка составляет около 99,6%.

Пример 5
При давлении газа в разрядной камере, равном 12 Торр, напряжении в импульсном режиме U=6 кВ, при I_e=100 мА, длительности импульса τ = 100μS эффективность формирования электронного пучка составляет около 99%.

Пример 6
При давлении газа в разрядной камере, равном 16 Торр, напряжении в импульсном режиме U=4 кВ, при I_e=200 мА, длительности импульса τ = 50μS эффективность формирования электронного пучка составляет около 98%.

Таким образом, применение заявляемого способа для получения электронных пучков дает возможность получать их с высокой эффективностью и продлевать срок службы катода.

Изобретение относится к электронике и может быть использовано при создании электронных приборов, лазеров, а также в плазмохимии, спектроскопии, при обработке материалов, электронно-лучевой сварке и в диагностических измерениях. Способ получения электронного пучка заключается в проведении в непрерывном или импульсном режиме высоковольтного разряда в разрядном промежутке между катодом и анодом в объеме разрядной камеры, заполненной газом, ускорении и извлечении электронного пучка через отверстия в аноде, осуществлении подачи на катод светового потока, вызывающего фотоэффект, от внешнего по отношению к разрядному промежутку источника излучения при проведении высоковольтного разряда, при этом если увеличивают напряжение, то понижают давление газа в разрядной камере, причем в качестве внешнего по отношению к разрядному промежутку источника излучения используют дрейфовое пространство за анодом, вблизи катода формируют протяженную область с низким градиентом потенциала, а в объеме разрядной камеры между протяженной областью с низким градиентом потенциала и анодом используют вставку с диэлектрическими каналами, в которых осуществляют ускорение электронов, причем в качестве анода используют плоскую пластину с просверленными отверстиями. Величину подаваемого в непрерывном режиме напряжения варьируют от 1,5 до 10 кВ, а соответствующее давление - от 6 до 12 Торр. Величину подаваемого в импульсном режиме напряжения варьируют от 1,5 до 10 кВ, а соответствующее давление от 8 до 16 Торр. Применение заявляемого способа для получения электронных пучков дает возможность получать их с высокой эффективностью и продлевать срок службы катода. 2 с. и 2 з.п. ф-лы., 2 ил.

1. Способ получения электронного пучка, заключающийся в проведении в непрерывном режиме высоковольтного разряда в разрядном промежутке между катодом и анодом в объеме разрядной камеры, заполненной газом, ускорении и извлечении электронного пучка через отверстия в аноде, осуществлении подачи на катод светового потока, вызывающего фотоэффект, от внешнего по отношению к разрядному промежутку источника излучения при проведении высоковольтного разряда, при этом если увеличивают напряжение, то понижают давление газа в разрядной камере, причем в качестве внешнего по отношению к разрядному промежутку источника излучения используют дрейфовое пространство за анодом, отличающийся тем, что вблизи катода формируют протяженную область с низким градиентом потенциала, а в объеме разрядной камеры между протяженной областью с низким градиентом потенциала и анодом используют вставку с диэлектрическими каналами, в которых осуществляют ускорение электронов, причем диэлектрические каналы располагают соосно в аноде, а в качестве анода используют плоскую пластину с просверленными отверстиями.2. Способ получения электронного пучка по п.1, отличающийся тем, что величину подаваемого в непрерывном режиме напряжения варьируют от 1,5 до 10 кВ, а соответствующее давление - от 6 до 12 Торр.3. Способ получения электронного пучка, заключающийся в проведении высоковольтного разряда в разрядном промежутке между катодом и анодом в объеме разрядной камеры, заполненной газом, ускорении и извлечении электронного пучка через отверстия в аноде, осуществлении подачи на катод светового потока, вызывающего фотоэффект, от внешнего по отношению к разрядному промежутку источника излучения при проведении высоковольтного разряда, при этом, если увеличивают напряжение, то понижают давление газа в разрядной камере, причем в качестве внешнего по отношению к разрядному промежутку источника излучения используют дрейфовое пространство за анодом, отличающийся тем, что высоковольтный разряд осуществляют в импульсном режиме, вблизи катода формируют протяженную область с низким градиентом потенциала, а в объеме разрядной камеры между протяженной областью с низким градиентом потенциала и анодом используют вставку с диэлектрическими каналами, в которых осуществляют ускорение электронов, причем диэлектрические каналы располагают соосно отверстиям в аноде, а в качестве анода используют плоскую пластину с просверленными отверстиями.4. Способ получения электронного пучка по п.3, отличающийся тем, что величину подаваемого в импульсном напряжении варьируют от 1,5 до 10 кВ, а соответствующее давление - от 8 до 16 Торр.