ИМПУЛЬСНЫЙ ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2004 года по МПК H01J33/02 

Изобретение относится к электронике и может быть использовано в физической электронике, квантовой электронике, рентгенотехнике, спектроскопии, плазмохимии, диагностических измерениях.

Известен импульсный газоразрядный источник электронного пучка, содержащий катод, сетчатый анод, область дрейфа электронного пучка за сетчатым анодом, размещенные в газоразрядной камере, и импульсный высоковольтный источник питания, при этом сетчатый анод располагается напротив катода в удалении от него на конечном расстоянии d, а импульсный высоковольтный источник питания подключается к катоду и сетчатому аноду [Сорокин А.Р. // Письма в ЖТФ, Т.28, №9, С.14-21, 2002].

Недостатком данного устройства, в котором реализуется открытый разряд, является узкий диапазон рабочего давления газа. В типичном разрядном промежутке d=0,5-1 мм рабочее давление не превышает несколько десятков Торр. Основная проблема: требуется удержать в течение импульса высокое значение падения потенциала в прикатодном слое и сохранить при этом устойчивость разряда. Так для давления гелия p_He=100 Торр установившаяся длина катодного падения потенциала аномального разряда составит всего l_cf=0,37(р_Hеl_cf)n=0,05 мм, где величина (р_Hеl_cf)_n=1-3 Торр· см берется для нормального тлеющего разряда. Поле у катода, например, для напряжения питания U=5 кВ будет Е_c≈_{2U/lcf=2· 10⁶ В/см, что на порядок выше, чем требуется для начала взрывных процессов на катоде из металла. Эквивалентный ток аномального разряда при этом достиг бы jAD 2,5· 10^-12p²(Ucf)³=600 А/см². Оценки справедливы, если все приложенное напряжение U сосредоточено в катодном падении потенциала Ucf [Клименко К.А., Королев Ю.Д. // ЖТФ, Т. 60, №9, с.138-142, 1990]. В импульсном режиме стабильность разряда при столь высоких полях у катода можно сохранить в течение нескольких нc. Дополнительно возникает проблема формирования возбуждающих разряд импульсов напряжения с малой длительностью переднего фронта, которая для d>>lcf должна быть также несколько нс, иначе пробой разрядного промежутка произойдет на переднем фронте при малом напряжении. Увеличить же время формирования разряда путем повышения затрудненности развития разряда, уменьшая d до размеров ~lcf, т.е. 50 мкм при сохранении высокой прозрачности и значительной площади сетчатого анода, практически не реально.}

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является импульсный газоразрядный источник электронного пучка, содержащий катод, сетчатый анод, область дрейфа электронного пучка за сетчатым анодом, размещенные в газоразрядной камере, и импульсный высоковольтный источник питания, при этом на рабочей поверхности катода расположена диэлектрическая пластина, сетчатый анод располагается напротив катода в удалении от диэлектрической пластины на конечном расстоянии d, а импульсный высоковольтный источник питания подключается к катоду и сетчатому аноду [Азаров А.В., Митько С.В., Очкин В.И. // Квантовая электроника, т.32, №8, с.675-679, 2002].

Недостатком данного устройства, в котором реализуется барьерный открытый разряд, также является узкий диапазон рабочего давления газа (в гелии до ~20 Торр). Затрудненность развития и протекания разряда, а следовательно, время удержания на разрядном промежутке d достаточно высокого напряжения U до и после электрического пробоя разрядного промежутка зависит, как и в разряде с полым анодом [Завьялов М.А., Крейндель Ю.Е. и др. Плазменные процессы в технологических электронных пушках. М.: Энергоатомиздат. 1989. 256 с.], от параметров pd и рА, где А - размер отверстия в полом аноде или в нашем случае характерный размер отверстий в сетчатом аноде. Если А<d, что обычно выполняется в открытых разрядах различного типа, то затрудненность разряда будет зависеть в основном от параметра pd. Наивысшая затрудненность разряда реализуется при d<l_cf, т.е. когда поток ионов, поддерживающих разряд, идет из заанодной плазмы, образующейся в ослабленном электрическом поле, провисающем в полостях анодной сетки. Для атмосферного давления гелия длина катодного падения потенциала составит всего l_cf=6,3 мкм, что на два порядка меньше типичной длины разрядного промежутка d=0,5 мм, при которой параметр pd=38 Торр· см, а напряжение пробоя, согласно кривой Пашена, не превысит величину U_b~500 В. В импульсном режиме напряжение пробоя будет выше, но в интересном для практики случае, когда фронт возбуждающего импульса напряжения составляет ~20 нс, Ub при столь высоком давлении не превысит величину ~2 кВ. Поэтому, в лучшем случае, энергия электронов в пучке может составить 2 кэВ. Для эффективного формирования электронного пучка дополнительно необходимо, чтобы электроны двигались в электрическом поле Е, по крайней мере, на порядок более высоком, чем требуется для начала непрерывного ускорения электронов - (Е/р_Hе)_сr=150 В/(см· Торр), т.е. должно быть: Е/р_Hе ~1,5 кВ/(см·Торр) и более. В рассматриваемых условиях (р_Hе=760 Торр, d=0,5 мм, U=2 кВ) на начальной стадии пробоя электрическое поле в разрядном промежутке слабо искажено объемными зарядами, Е/р_Не≈_{U/(pHed)=53 В/(см· Торр), что даже меньше порогового ~150 В/(см· Торр). Если катодное падение потенциала сформируется и все приложенное напряжение упадет на нем, то условия эффективного формирования электронных пучков будет выполнено: Е/рНе≈U/(lcf·рHе)=4,2 кВ/(см· Торр). Реально, из-за того, что lсf·рНе<<pHed, большая часть приложенного напряжения сосредоточится вне области катодного падения потенциала и энергия электронов и в этом случае окажется весьма малой, существенно меньше 2 кэВ. К тому же, хотя стабильность барьерного открытого разряда в рассматриваемом устройстве выше, чем в обычном открытом разряде с металлическим катодом, стабильность будет ограничена перерастанием спонтанно и локально возникшей неоднородности разряда в искру. Ток неоднородности в результате локальной зарядки поверхности диэлектрической пластины приведет к возникновению тангенциальной составляющей электрического поля у поверхности диэлектрика и к развитию поверхностного разряда, заряжающего всю поверхность диэлектрической пластины через эту неоднородность, переходящую в искру. Практически, диапазон рабочих давлений в прототипе оказывается не шире, чем в аналоге.}

Техническим результатом изобретения является расширение более чем на порядок диапазона рабочих давлений в предлагаемом устройстве за счет повышения затрудненности и стабильности барьерного открытого разряда в нем.

Технический результат достигается тем, что в импульсном газоразрядном источнике электронного пучка, содержащем катод, на рабочей поверхности которого расположена диэлектрическая пластина, сетчатый анод, область дрейфа электронного пучка за сетчатым анодом, размещенные в газоразрядной камере, и импульсный высоковольтный источник питания, подключенный к катоду и сетчатому аноду, сетчатый анод расположен непосредственно на поверхности диэлектрической пластины.

Технический результат достигается также тем, что в импульсном газоразрядном источнике электронного пучка, содержащем катод, на рабочей поверхности которого расположена диэлектрическая пластина, сетчатый анод, область дрейфа электронного пучка за сетчатым анодом, размещенные в газоразрядной камере, и импульсный высоковольтный источник питания, сетчатый анод расположен непосредственно на поверхности диэлектрической пластины, кроме того, в газоразрядной камере размещен дополнительный электрод, причем расстояние между сетчатым анодом и дополнительным электродом подбирают таким, чтобы напряжение электрического пробоя между ними обеспечивало заданный диапазон рабочих напряжений устройства, а импульсный высоковольтный источник питания подключен к катоду и дополнительному электроду.

Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми чертежами.

На фиг.1 приведена схема предлагаемого устройства с планарным расположением электродов. На фиг.2 изображен вариант предлагаемого устройства с коаксиальным расположением электродов. На фиг.3 приведена электрическая схема измерений параметров разряда в предлагаемом, фиг.1, устройстве. На фиг.4 приведены осциллограммы напряжения, иллюстрирующие разряд в аналоге и в предлагаемом, фиг.1, устройстве. На фиг.5 приведено предлагаемое устройство с дополнительным электродом. На фиг.6 приведены осциллограммы, иллюстрирующие разряд в предлагаемом, фиг.5, устройстве с дополнительным электродом.

На чертежах показаны: 1 - импульсный высоковольтный источник питания; 2 - катод, на рабочей поверхности которого расположена диэлектрическая пластина - 3; 4 - сетчатый анод, расположенный на диэлектрической пластине - 3 с противоположной стороны от катода -2; 5 - область дрейфа электронного пучка; 6 - коллекторная сетка; 7 - коллектор; R1, R2 - резистивный делитель для измерения импульсного напряжения; R3, R4, R5 - сопротивления для измерений, соответственно, анодного тока, тока коллекторной сетки и тока коллектора; 8,9 - осциллограммы напряжения, иллюстрирующие разряд в гелии с давлением 400 Торр, соответственно для аналога и предлагаемого, фиг.1, устройства, а τ 1, τ 2 и U1, U2 - соответствующие значения временной задержки и напряжения пробоя для них; 10 - дополнительный электрод для предлагаемого, фиг.5, устройства; 11 и 12 - осциллограммы напряжения и тока, иллюстрирующие разряд в гелии с давлением 600 Торр, для предлагаемого устройства - фиг.5.

Устройство работает следующим образом.

Повышенная стабильность разряда в предложенном устройстве, фиг.1, 2, достигается тем, что ток возникшей в разряде неоднородности быстро сбрасывает локальную напряженность поля, заряжая поверхность диэлектрической пластины, ограниченную размером одного отверстия анодной сетки. Тем самым предотвращается развитие искрового пробоя промежутка. Затрудненность разряда в таком устройстве в основном определяется размером А отверстий в анодной сетке, которую можно, в частности, сформировать непосредственно на поверхности диэлектрической пластины, например, путем использования технологий напыления и фотолитографии. Повышенная затрудненность разряда, в условиях отсутствия разрядного промежутка в общепринятом смысле (d=0), обеспечивается экранировкой сетчатым анодом проникновения сильного электрического поля далеко в глубь пространства дрейфа. Развитие поверхностного разряда по диэлектрической пластине в пределах отверстия в анодной сетке невозможно из-за практически отсутствия тангенциальной составляющей электрического поля вследствие близкого расположения противолежащих перемычек сетки (тангенциальные поля, вносимые краевыми эффектами от этих перемычек, противоположно направлены и поэтому скомпенсированы). В процессе формирования катодного падения потенциала электрическое поле еще более стягивается к поверхности диэлектрической пластины и все приложенное напряжение оказывается сконцентрированным в прикатодной области. Для ориентации в выборе подходящего материала для диэлектрической пластины в зависимости от параметров разряда можно воспользоваться неравенством, следующим из анализа электрической схемы [Ищенко В.Н., Лисицин В.П., Сорокин А.Р. // Квантовая электроника, т.5, №4, с.788-794, 1978]: U/E_bd<Δ <Uε /(jt_j), где U[В] - рабочее напряжение питания, Е_bd [В/см] - напряженность электрического поля пробоя диэлектрического материала, Δ [см] - толщина диэлектрической пластины, ε - диэлектрическая проницаемость диэлектрической пластины, j [А/см²] - средний ток разряда продолжительностью - t_j [сек]. Иметь в виду, что в импульсном режиме Е_bd может в несколько раз превышать E_bd для статического поля. Конфигурации диэлектрических пластин - 3 и других элементов устройства могут отличаться от представленных на фиг.1, 2 в зависимости от требуемой геометрии электронного пучка, определяемой целевым назначением электронных пучков (возбуждение лазерных сред, обработка материалов и т.д.). Сказанное относится и к выбору конфигурации области дрейфа - 5.

Важный вопрос о параметрах сетчатого анода будет рассмотрен ниже.

Для предложенного, фиг.1, устройства диэлектрическая пластина изготовлялась из керамики от конденсаторов КВИ-2: 68 пФ, 16 кВ, диэлектрическая проницаемость ε ~1000, диаметр 10 мм. Конденсатор с одной стороны сошлифовывался до размера Δ =2 мм в центре по оси, а его собственный вывод с другой стороны подключался к минусу импульсного высоковольтного источника питания. Плоская анодная сетка из молибдена толщиной 0,1 мм имела отверстия 0,17 мм, а геометрическую прозрачность μ =0,72. Для контроля тока пучка были введены коллекторная сетка (шаг 0,5 мм, μ =0,65) - 6 и коллектор - 7, расположенные соответственно в 5 и 10 мм от диэлектрической пластины, фиг.3. Эти элементы могли влиять и на сам разряд. Действительно, хотя анодная сетка с отверстиями А=0,17 мм экранирует провисание поля в глубь пространства дрейфа и концентрирует его у диэлектрика, в промежутке катод - коллекторная сетка (5 мм) может присутствовать поле, достаточное для возникновения там разряда. Поэтому, если коллекторную сетку и коллектор оставить под свободным потенциалом, отключив их, то для небольших давлений, например 30 Торр гелия, из-за роста затрудненности разряда (в промежутке диэлектрическая пластина - коллекторная сетка он теперь не формируется) многократно падает свечение газа, уменьшается разрядный ток и возрастает задержка пробоя. Однако, как было установлено, для высоких давлений, р_Hе>100 Торр, параметры разряда перестают зависеть от того, находятся ли коллекторная сетка и коллектор под свободным потенциалом или нет. Т.е. все разрядные процессы протекают в прикатодной области, куда быстро сбрасывается все приложенное напряжение, а напряжения для возникновения разряда в промежутке диэлектрическая пластина - коллекторная сетка оказывается недостаточно. Плотность всех токов определялась как отношение регистрируемого тока к активной площади катода, т.е. к суммарной площади отверстий в сетке, которая составляла - S=0,45 см². На фиг.4 приведены осциллограммы напряжения для обычного открытого разряда (d=0,6 мм), кривая - 8, и предложенного, фиг.1, барьерного разряда, кривая - 9, для 400 Торр гелия. Затрудненность барьерного разряда оказывается выше, чем для обычного открытого разряда: в два раза возросли задержка (τ 2≈ 2· τ 1) и напряжение (U2≈ 2· U1) пробоя. К тому же, в этих условиях обычный открытый разряд, в отличие от барьерного, терял устойчивость. В качестве примера приведем параметры барьерного разряда, полученные для двух давлений гелия. Для р_Hс=200 Торр: время задержки пробоя - τ =25 нс, напряжение пробоя – U_b=20 кВ, ток коллектора - j_c=40 А/см². Для р_Hе=600 Торр: τ =15 нc, U_b=6 кВ, ток коллектора j_c=8 А/см² для этого случая измерялся на меньшем расстоянии - 5 мм от поверхности диэлектрической пластины. В последнем случае ток электронного пучка мал, поскольку для U≈ 6 кВ лишь малая часть электронов пучка достигает коллектора: длина свободного пробега электронов составляет всего 1=0,2U/р_Hе=2 мм. Для ряда применений, например в газовых лазерах, требуются электронные пучки, формируемые в смесях газов различного состава. В качестве примера были проведены исследования со смесью СO₂:N₂:Не=1:1:8. В этой смеси предельное давление, при котором регистрировался ток пучка коллектором, расположенном в 5 мм от диэлектрической пластины, было в три раза меньше, чем в гелии - в смеси меньше длина пробега электронов и затрудненность разряда. Для давления смеси 200 Торр получен пучок 16 А/см² при напряжении пробоя 7,5 кВ. Во всех рассмотренных условиях разряд сохранял устойчивость. Повысить давление или напряжение горения разряда в устройстве можно, уменьшив отверстия А в сетчатом аноде - 4. Отверстия могут иметь произвольную форму, необходимо лишь размер А сохранить по одному измерению отверстия. Например, можно взять сетку в виде чередующихся полос с расстоянием между ними А. Современная техника фотолитографии позволяет формировать сетку в виде полос с размером А в несколько мкм при сохранении прозрачности сетки на уровне 0,5.

Была опробована схема питания, фиг.5, устройства с подключением импульсного высоковольтного источника питания - 1 к катоду - 2 и дополнительному электроду - 10, роль которого выполнял сетчатый коллектор - 6 в ранее рассмотренной схеме - фиг.3. Сетчатый анод - 4 оставался под свободным потенциалом. Подобная схема питания была ранее предложена для обычного открытого разряда [Сорокин А.Р.// Письма в ЖТФ, т. 16, №8, с.27-30]. Вначале формируется обычный тлеющий разряд между сетчатым анодом и дополнительным электродом и все напряжение оказывается на промежутке катод - сетчатый анод, разряд в котором и генерирует электронный пучок. С такой схемой появляется свобода в размещении дополнительного электрода (в том числе, он может быть размещен в стороне от траектории электронного пучка) и отсутствует необходимость электрического ввода для сетчатого анода, что может быть важно для ряда применений устройства. Расстояние D между сетчатым анодом - 4 и дополнительным электродом - 10 берется таким, чтобы напряжение электрического пробоя между ними обеспечивало заданный диапазон рабочих напряжений устройства. Барьерный открытый разряд в устройстве, фиг.5, имеет ряд особенностей. Так, при достаточно высоком давлении можно подбором расстояния D существенно увеличить напряжение пробоя, теперь уже за счет большой величины параметра pD. Другая особенность связана с контрагированием обычного тлеющего разряда, начиная, например, в гелии с давления ~100 Торр. Чтобы уменьшить контракцию разряда между сетчатым анодом и дополнительным электродом сетчатый анод на диэлектрической пластине формировался путем напыления А1 (толщина слоя 1,3 мкм) в виде отдельных пятен 25× 25 мкм с шагом 50 мкм, так что геометрическая прозрачность анодной сетки составляла μ =0,75. Дополнительный электрод - 10 в виде сетки (шаг 0,5 мм, μ =0,65) располагался в 6 мм от диэлектрической пластины. Для давления гелия р_Hе=600 Торр параметры разряда получились следующими, фиг.6: время задержки пробоя - τ =22 нc, напряжение пробоя - U_b=12 кВ, ток коллектора - j_c=25 А/см², измеренный на расстоянии 11 мм от поверхности диэлектрической пластины, что существенно лучше, чем параметры, полученные со схемой питания на фиг.1. С анодной сеткой в виде отдельных пятен удалось существенно подавить контракцию разряда в промежутке сетчатый анод - дополнительный электрод. Однако плотность тока этого разряда на пятна при повышенных давлениях оказалась достаточно высокой, чтобы пятна подверглись значительной эрозии, из-за катодного распыления. Поэтому, если в этом нет большой необходимости, с такой схемой рекомендуется работать при меньших давлениях - в гелии при ~ 100 Торр, что все еще существенно выше, чем в аналоге и прототипе. Верхний предел рабочего напряжения также ограничен приемлемым катодным распылением анодной сетки - 4.

Использование: в физической электронике, квантовой электронике, рентгенотехнике, спектроскопии, плазмохимии, диагностических измерениях. Сущность изобретения: импульсный газоразрядный источник электронного пучка содержит катод, на рабочей поверхности которого расположена диэлектрическая пластина, сетчатый анод, область дрейфа электронного пучка за сетчатым анодом, размещенные в газоразрядной камере, и импульсный высоковольтный источник питания, подключенный к катоду и сетчатому аноду, причем сетчатый анод расположен непосредственно на поверхности диэлектрической пластины. Во втором варианте импульсного газоразрядного источника электронного пучка в газоразрядной камере размещен дополнительный электрод, а расстояние между сетчатым анодом и дополнительным электродом подбирают таким, чтобы напряжение электрического пробоя между ними обеспечивало заданный диапазон рабочих напряжений устройства, импульсный высоковольтный источник питания подключен к катоду и дополнительному электроду. Техническим результатом изобретения является расширение более чем на порядок диапазона рабочих давлений в предлагаемом источнике за счет повышения затрудненности и стабильности барьерного открытого разряда в нем. 2 н.п. ф-лы, 6 ил.

1. Импульсный газоразрядный источник электронного пучка, содержащий катод, на рабочей поверхности которого расположена диэлектрическая пластина, сетчатый анод, область дрейфа электронного пучка за сетчатым анодом, размещенные в газоразрядной камере, и импульсный высоковольтный источник питания, подключенный к катоду и сетчатому аноду, отличающийся тем, что сетчатый анод расположен непосредственно на поверхности диэлектрической пластины.2. Импульсный газоразрядный источник электронного пучка, содержащий катод, на рабочей поверхности которого расположена диэлектрическая пластина, сетчатый анод, область дрейфа электронного пучка за сетчатым анодом, размещенные в газоразрядной камере, и импульсный высоковольтный источник питания, отличающийся тем, что сетчатый анод расположен непосредственно на поверхности диэлектрической пластины, кроме того, в газоразрядной камере размещен дополнительный электрод, причем расстояние между сетчатым анодом и дополнительным электродом подбирают таким, чтобы напряжение электрического пробоя между ними обеспечивало заданный диапазон рабочих напряжений устройства, а импульсный высоковольтный источник питания подключен к катоду и дополнительному электроду.