ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ ПЛАЗМЕННЫЙ КАТОД Российский патент 2005 года по МПК H05H1/00 

Изобретение относится к технике получения плазмы в больших объемах и генерации широких электронных пучков с большим током.

Известен плазменный эмиттер на основе тлеющего разряда с полым катодом, в котором электроны извлекаются непосредственно из плазмы, генерируемой в катодной полости разряда [1]. Для сохранения устойчивого горения разряда с полым катодом при низких давлениях, обеспечивающих электрическую прочность ускоряющего промежутка, должно выполняться соотношение между площадями поверхности катода и анода S_a/S_k~(m_е/М_i)^1/2. Выполнение этого соотношения обеспечивает полную энергетическую релаксацию быстрых электронов и обеспечивает замыкание тока медленных электронов на анод без формирования анодного слоя пространственного заряда [2]. Здесь m_е и M_i - масса электрона и иона, а площадь анода соответствует площади эмиттера электронов. Чтобы создать электронный эмиттер такого типа с поперечным сечением 10³ см² нужен полый катод с площадью поверхности порядка 10⁵ см². Большие размеры конструкции катода приводят к необходимости использования больших вакуумных камер и мощных откачных систем, что существенно усложняет и удорожает эксплуатацию электронных источников такого типа. Кроме того, приведенное соотношение является также условием стабилизации плазменной границы в апертуре полого катода и обеспечивает возможность отбора электронов с открытой плазменной поверхности. При увеличении размеров апертуры, через которую извлекаются электроны, для фиксации плазменной границы и сохранения условий стабильного горения разряда необходимо затягивать апертуру мелкоструктурной сеткой.

Известен плазменный источник электронов [3], электродная система тлеющего разряда в котором состоит из полого катода, в выходной апертуре которого установлен сетчатый анод и управляющая сетка, расположенная со стороны ускоряющего промежутка. Подача отрицательного потенциала на управляющую сетку относительно анодной сетки позволяет уменьшать ток пучка вплоть до его полного запирания. Однако в такой системе площадь эмиттера также определяется размерами катодной апертуры, а увеличение размеров эмиттера без сохранения требуемого соотношения площадей катода и анода приводит к росту рабочего давления газа и ограничению рабочего напряжения ускорителя на уровне 150 кВ из-за опасности возникновения газового пробоя в условиях, соответствующих левой ветви кривой Пашена [4].

Задачей изобретения является увеличение площади равномерно эмитирующей электроны поверхности плазмы тлеющего разряда с полым катодом без увеличения площади поверхности катода. Для этого в плазменном катоде, электродная система которого включает цилиндрический полый катод с выходной апертурой в форме щели, ось которой параллельна оси катода, поджигающий электрод в виде тонкой нити, натянутой вдоль оси катода, анод и управляющую сетку, анод выполняется полым, причем высота анода, определяемая расстоянием между катодной апертурой и управляющей сеткой, и поперечный размер управляющей сетки соотносятся, как Z/H>1, а ширина катодной апертуры определяется с учетом толщины катодного слоя, как h~πD(m_e/M_i)^1/2+2s; где Н - поперечный размер управляющей сетки; Z - расстояние между катодной апертурой и управляющей сеткой, h - ширина катодной апертуры; - толщина катодного слоя пространственного заряда; D - диаметр полого катода; U - напряжение горения разряда, j - плотность тока на катоде; m_е, М_i - масса электрона и иона, соответственно; ε₀ - диэлектрическая постоянная; е - заряд электрона.

Сущность изобретения: выходная апертура полого катода в форме протяженной щели обеспечивает возможность равномерного по длине щели поступления электронов из катодной полости в анодную полость и формирования плазменного эмиттера электронов значительной протяженности. Для того чтобы ограничить уход быстрых электронов из катодной полости и обеспечить поддержание разряда при низком давлении газа, необходимо, чтобы эффективная площадь щели S_a отвечала вышеприведенному соотношению S_a/S_k~(m_е/М_i)^1/2. Вблизи поверхности катода формируется катодный слой пространственного заряда толщиной s, который отражает быстрые электроны. При использовании круглой апертуры толщиной слоя можно пренебречь, однако в длинной узкой щели влияние слоя оказывается существенным, поэтому эффективная ширина щелевой апертуры меньше ее геометрической ширины h на двойную толщину слоя, а условие для соотношения площадей будет иметь вид: (h-2s)/πD~(m_е/М_i)^1/2, где D - диаметр полого катода. В приведенном соотношении не учитывается площадь торцов катода, вклад которой в общую рабочую поверхность катода незначителен, если длина катода намного превышает его диаметр, что имеет место в рассматриваемом устройстве. Толщина катодного слоя определяется напряжением горения U и плотностью тока на катоде j и может быть определена из закона Чайлда-Ленгмюра, как Поскольку распределение плотности плазмы в анодной полости в поперечном относительно щелевой апертуры направлении имеет максимум напротив щели, требуется обеспечить такое расстояние между щелью и плоскостью эмиттера, на котором за счет расходимости электронного потока неравномерность поперечного распределения плотности тока в плоскости эмиттера будет в пределах заданной величины. Чем меньше поперечный размер управляющей сетки Н и чем больше расстояние между щелью и управляющей сеткой Z, тем меньше будет степень неоднородности поперечного распределения, которая является функцией отношения H/Z. Дополнительным способом улучшения равномерности распределения является изменение прозрачности сетки в поперечном щели направлении.

На чертеже представлена электродная система предложенного плазменного эмиттера электронов с большой поверхностью. Электродная система состоит из полого катода 1, установленного на его оси поджигающего электрода 3 в виде тонкой нити, анода 2 и управляющей сетки 4.

Плазменный эмиттер работает следующим образом. После приложения между катодом 1, поджигающим электродом 3 и анодом 2 напряжения и подачи в катодную полость газа зажигается тлеющий разряд. Использование коаксиальной электродной системы с полым катодом и нитевым поджигающим электродом обеспечивает зажигание разряда при низких давлениях, при этом установившийся ток в цепи поджигающего электрода 3 незначителен, так как площадь этого электрода невелика по сравнению с площадью анода. Большая часть тока разряда через щель замыкается на анод. В анодной полости создается плазма. Управляющая сетка может иметь потенциал анода, либо на сетку может быть подан отрицательный относительно анода потенциал для управления величиной извлекаемого электронного тока или для полного запирания тока и формирования импульсов тока требуемой длительности. При подаче напряжения между управляющей сеткой 4 и коллектором пучка плазменная поверхность фиксируется в плоскости сетки, через отверстия в которой электроны извлекаются электрическим полем. Доля тока извлеченных электронов от тока разряда определяется размерами ячейки сетки, плотностью плазмы, напряженностью ускоряющего поля и обычно составляет 0,5-0,9.

Испытания опытного образца плазменного эмиттера электронов проводились с использованием полого катода диаметром 200 мм, длина катода была равна 400 мм. На боковой поверхности катода имелась щель длиной 350 и шириной 20 мм. Вдоль оси катода натягивалась вольфрамовая проволока 3 диаметром 0,3 мм, которая через резистор электрически соединялась с анодом 2. Поперечное сечение полого анода в плоскости, параллельной щели, имеет форму прямоугольника с размерами 200×400 мм. Управляющая сетка, имевшая те же размеры и изготовленная из нержавеющей стали с размером ячейки 0,6 мм, устанавливалась на расстоянии 100 мм от щели. Напротив сетки на расстоянии 10 мм был установлен коллектор, на который подавался положительный потенциал 2 кВ, обеспечивающий извлечение электронов из плазмы и их ускорение. В плоскости коллектора размещались зонды для измерения распределения плотности тока электронов по сечению пучка.

Испытания проводились в импульсно-периодическом режиме при токах разряда 1-10 А и длительности импульсов тока 1 мс. Минимальное рабочее давление аргона в анодной полости составляло 0,01 Па. Напряжение горения разряда составляло 350-800 В. При подаче ускоряющего напряжения в цепи коллектора протекал ток электронного пучка, который составлял 0,5-0,9 от тока разряда. Неоднородность продольного распределения плотности тока в пучке не превышала 0,2 на длине 200 мм, неравномерность поперечного распределения на длине 100 мм составляла 0,5, что связано с малым (100 мм) расстоянием между щелью и эмиссионным окном. При увеличении этого расстояния до 200 мм поперечный размер эмиттера может быть увеличен вдвое, либо примерно вдвое (до 0,25) уменьшена неоднородность распределения плотности эмиссионного тока на ширине 100 мм. Уменьшение прозрачности сетки в поперечном направлении от периферии к оси в 2 раза позволило получить неравномерность ~0,25 на длине 200 мм. При подаче на сетку запирающего потенциала до -200 В обеспечивалось формирование импульсов тока пучка длительностью 50 мкс с фронтом длительностью мкс.

Использование предлагаемого плазменного эмиттера электронов в электронных ускорителях с большим сечением пучка обеспечит формирование протяженных однородных пучков большого прямоугольного сечения (доли м²) с током в единицы - сотни ампер в квазистационарном режиме, а при использовании сеточного управления возможна генерация импульсных пучков микросекундной длительности. Простота эксплуатации и высокая надежность электронного эмиттера, его некритичность к давлению газа обеспечат существенное улучшение эксплуатационные характеристик электронных ускорителей.

Источники информации

1. Ю.А.Мельник, А.С.Метель, Г.Д.Ушаков. Многолучевой сильноточный инжектор квазинепрерывного режима с крупноструктурным сеточно-плазменным эмиттером электронов. Тезисы докладов 7 Всесоюзного симпозиума по сильноточной электронике, 1988, Томск, часть 1, с.113-115.

2. А.С.Метель. Расширение рабочего диапазона давлений тлеющего разряда с полым катодом. ЖТФ, т.54, №2 (1984), с.241-247.

3. Патент 38310052 (США). Hollow Cathode Gas Discharge Device. R.C. Knechtli.

4. С.П.Бугаев, Ю.Е.Крейндель, П.М.Щанин. Электронные пучки большого сечения. М.: Энергоатомиздат, 1984, 110 с.

Газоразрядный плазменный катод предназначен для использования в технике получения плазмы. Электродная система плазменного катода содержит цилиндрический полый катод с выходной апертурой в форме щели и анод. Последний выполнен полым. Высота анода определяется расстоянием между катодной апертурой и управляющей сеткой. Соотношение высоты анода и поперечного размера управляющей сетки больше единицы. Ширина катодной апертуры определяется с учетом толщины катодного слоя пространственного заряда. Обеспечивается увеличение площади, равномерно эмиттирующей электроны поверхности плазмы. 1 ил.

Газоразрядный плазменный катод, электродная система которого содержит цилиндрический полый катод с выходной апертурой в форме щели, ось которой параллельна оси катода, поджигающий электрод в виде тонкой нити, натянутой вдоль оси катода, управляющую сетку и анод, отличающийся тем, что анод выполнен полым, причем высота анода, определяемая расстоянием между катодной апертурой и управляющей сеткой, и поперечный размер управляющей сетки соотносятся, как Z/H>1, а ширина катодной апертуры определяется с учетом толщины катодного слоя пространственного заряда, как h ~ πD(m_е/М_i)^1/2+2s, где Н - поперечный размер управляющей сетки; Z - расстояние между катодной апертурой и управляющей сеткой; h - ширина выходной апертуры полого катода; - толщина катодного слоя пространственного заряда; D - диаметр полого катода, U - напряжение горения разряда; j - плотность тока на катоде; m_e, M_i - масса электрона и иона соответственно; ε₀ - диэлектрическая постоянная, e - заряд электрона.