ПЛАЗМЕННЫЙ ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРОНОВ НА ОСНОВЕ ПЕННИНГОВСКОГО РАЗРЯДА С РАДИАЛЬНО СХОДЯЩИМСЯ ЛЕНТОЧНЫМ ПУЧКОМ Российский патент 2005 года по МПК H01J27/04 H05H1/02 

Изобретение относится к плазменной эмиссионной электронике, в частности к конструкции источника электронов с плазменным эмиттером, генерирующего радиально сходящиеся ленточные пучки, и может быть использовано в электронно-ионной вакуумной технологии термообработки наружных поверхностей деталей и изделий цилиндрической формы ускоренным пучком электронов.

Известен кольцевой плазменный источник заряженных частиц с накаливаемым катодом, предназначенный для проведения экспериментов по формированию стационарных электронных пучков электронно-оптических систем с плазменным анодом [Завьялов М.А., Неганова Л.А. Кольцевой плазменный источник заряженных частиц //Электротехника, 1983, №4, с.36-39]. Газоразрядный источник состоит из разрядной камеры, представляющий термокатод в виде кольца, который окружен танталовым электродом, имеющим одинаковый потенциал с катодом. Анод представляет собой молибденовую трубку в виде кольца, имеющую в средней части четыре отверстия для выхода плазмы. Анод установлен внутри цилиндрического корпуса источника. Разряд зажигался в области между термокатодом и анодом, а рабочий газ Аr подавался в разрядную камеру с помощью микронатекателя. Вольтамперные характеристики разряда являются типичными для разрядов с накаливаемым катодом. Резкое возрастание напряжения на разряде наблюдалось при приближении разрядного тока к току насыщения термокатода.

Значения разрядного тока, при которых происходит этот переход от свободного режима горения к вынужденному, определялись током накала катода. Ионы извлекались с границы плазмы, локализованной вблизи плоскости выходного отверстия источника подачей отрицательного потенциала на стержень, установленный на оси источника. В эксперименте получен сходящийся поток ионов аргона.

Недостатком известного плазменного источника заряженных частиц в режиме извлечения сходящихся потоков электронов при подаче положительного потенциала на стержень для данной конструкции газоразрядного источника является слабая конструкторская проработка, не позволяющая получать радиально сходящиеся электронные пучки, поскольку попытка их получения приводит к перебрасыванию разряда с анода источника на стержень.

Известен пучково-плазменный СВЧ-прибор [Переводчиков В.И., Завьялов М.А., Неганова Л.А., Лисин В.Н., Мартынов В.Ф., Шапиро А.Л., Цхай В.Н. / Патент RU №20849885, 1997. Бюл. №20], содержащий откачную систему, электронную пушку с катодным и анодным узлом, плазменную пушку с кольцевым катодом, контрагирующим электродом и встроенным в цилиндрические капсулы генератором водорода, корпус обеих пушек выполнен в виде неразъемного моноблока на основе керамических кольцевых изоляторов. В пространстве между анодом и катодом пушки проходит сферическая плазменная граница, с которой отбираются ионы для разогрева катода пушки. Навстречу потоку ионов движутся электроны, образуя пучок с высокой компрессией. Плазма диффундирует в сторону объемного резонатора. Газ поступает от водородных генераторов в тороидальную полость пушки через систему отверстий, равномерно распределенных по азимуту. Ионизированный газ попадает в область электронного пучка через кольцевую щель контрагирующего электрода, расположенную симметрично между полостями отверстий анодных электродов.

Недостатком функционального узла в известном устройстве плазменной пушки в виде газоразрядного источника плазмы с цилиндрическим катодом и контрагирующим электродом, между которыми зажигался разряд и перемещался к выходу контрагирующего электрода, является ограниченная функциональная возможность плазменного анода, поскольку сформированная сферическая плазменная граница обеспечивает поток ионов для нагрева катода электронной пушки, т.е. газоразрядная плазма использована на своему прямому назначению в качестве элемента СВЧ-цепи и не может использоваться как плазменный эмиттер радиально сходящихся ленточных пучков электронов.

Известен источник электронов с радиально сходящимся пучком [Бугаев А.С., Винтизенко Л.Г., Гушенец В.И. и др. Электронный ускоритель с плазменным катодом и радиально сходящимся пучком // Тезисы докладов VII Всес. симпозиума по сильноточной электронике. Новосибирск. 1988. ч.II. С.174-176], выбранный в качестве прототипа, содержащий плазменный катод в виде цилиндрического тороида с сетчатым внутренним цилиндром. Коаксиально плазменному катоду установлен перфорированный цилиндрический анод. Эмиттирующая электроны плазма в цилиндрическом тороиде, являющемся общим полым анодом разрядной системы, создается шестью параллельно работающими вакуумно-дуговыми разрядами, инициируемыми разрядом по поверхности диэлектрика.

Недостатком известной конструкции является низкая надежность поджигающего катодного узла вследствие быстрого разрушения области контакта электрод-диэлектрик катодным пятном дуги, выработка электрода под диэлектриком приводит к перемещению туда катодного пятна и нарушению устойчивого горения разряда. Кроме того, нестабильность горения разряда связана с радиальной миграцией катодного пятна. Вследствие действия этих факторов наблюдается временная нестабильность эмиссионного электронного тока. Ресурс непрерывной работы данного источника составляет 5-8 часов.

Известное устройство в виде цилиндрического тороида с диаметром внешнего цилиндра, равным 500 мм, и цилиндрического анода диаметром 150 мм имеет при этом внутренний цилиндр тороида, выполненный сетчатым с размерами ячеек 0,6× 0,6 мм для вывода радиально сходящегося пучка электронов. Фиксированные размеры выходных ячеек, обусловленные принятой структурной компоновкой данного источника электронов с радиально сходящимся пучком, ограничивают его функциональные возможности для обработки наружных поверхностей изделий и деталей цилиндрической формы.

Совокупность перечисленных факторов указывает на низкую эффективность известного источника с радиально сходящимся пучком электронов.

Технический результат изобретения заключается в повышении надежности и ресурса, увеличении функциональных возможностей предлагаемого плазменного источника электронов на основе пеннинговского разряда с радиально сходящимся ленточным пучком.

Технический результат достигается тем, что в известную конструкцию источника электронов с радиально сходящимся пучком, содержащую разрядные системы, удаленные от центра цилиндрического тороида, образующие кольцевой плазменный эмиттер, анод выполнен в форме цилиндрического тороида с внутренним цилиндром, имеющим посередине щель с возможностью регулировки ее толщины, секционированного полыми стержнями - полюсными наконечниками катода плазменного эмиттера, выполненного в виде кольца из немагнитной стали с 28 отверстиями, сообщающимися с кольцевым каналом подачи и распределения рабочего газа по отверстиям в 28 полюсных наконечниках, по которым газ проникал и распространялся по всем разрядным ячейкам одновременно, постоянные магниты, расположенные в пазах на внешней боковой поверхности катода плазменного эмиттера, образуют магнитную систему, замкнутую через ферромагнитные анодные вставки; введен извлекающий электрод из ферромагнитной стали, выполненный в форме усеченного конуса, обращенного малым основанием к регулируемой по толщине щели, и установлен концентрично с кольцевым зазором 5 мм внутреннему цилиндру тороида.

Совмещение функций ослабления поперечной составляющей индукции магнитного поля в ячейках, т.е. локальной деформации в области эмиссионной щели, приводящей к усилению электронной компоненты анодного тока разряда, и контрагирование за счет сужающей геометрической формы эмиссионного канала, образованного ферромагнитными анодными вставками, позволяет увеличить концентрацию эмитирующей плазмы.

Введение в состав источника извлекающего электрода специальной геометрической формы, сочетающейся с эмиссионным каналом и корректирующейся щелевой электронной оптикой, приводит к усилению тока пучка.

В целом, устройство для получения радиально сходящихся пучков состоит из конструкции источника электронов, приборов и элементов газообеспечения и электрического питания, вакуумной камеры, средств получения и поддержания вакуума в рабочем диапазоне давлений 10^-4...^{10-3 торр.}

Сущность изобретения поясняется с помощью фиг.1 – разрядная камера без верхнего анодного кольца (а) и внешний вид в сборе (б); фиг.2 - конструкция (a) и структурная электрическая схема плазменного источника электронов с радиально сходящимся ленточным пучком (б); фиг.3 - элементы и приборы внешнего газообеспечения и измерения давления (а), экспериментальный стенд (б).

Источник электронов содержит анод плазменного эмиттера из немагнитной стали в виде цилиндрического тороида внешним диаметром 200 мм, выполненного из цилиндра 1, перфорированного 28 отверстиями в боковой поверхности, с внутренней резьбой М 190× 1 мм, и двух съемных колец 2 из немагнитной стали Г-образной формы сечения, на края которых напрессованы ферромагнитные вставки 3 такой формы, что при смыкании (размыкании) анодных колец 2 образуется эмиссионный канал в виде усеченного конуса обращенного большим основанием в сторону разрядных ячеек, меньшим - в сторону направления извлечения с регулируемой по высоте щелью.

Катод 4 плазменного эмиттера выполнен из немагнитной стали в виде опорного кольца прямоугольной формы внешним диаметром 260 мм. С внутренней стороны диаметром 205 мм по образующей заглублены 28 ферромагнитных стержней 5 на половину своей длины с углом сходимости θ =12,8° . Выступающие из опорного катода 4 сквозь изоляторные втулки 6 кубические части стержней 5 сечением 10× 10× 10 мм делят полость анода в виде цилиндрического тороида на 28 коротких разрядных ячеек типа Пеннинга. Попарно скрепленные постоянные магниты 7 из самарий-кобальтового сплава установлены в пазы на внешней боковой поверхности катода 4 таким образом, что создают поперечное магнитное поле в каждой ячейке 8 с индукцией ~0,1 Тл, при этом направление силовых линий магнитного поля от ячейки к ячейке периодически меняется.

Электрически соединенные, посредством катода 4 стержни 5 являются полюсными наконечниками внешнего магнитного поля и имеют сообщающиеся между собой отверстия 9 и 10 диаметром 4 мм (фиг.2), по которым натекал рабочий газ в разрядные ячейки 8.

Разрядная камера установлена в нижнее кольцо 11, на которое ложится верхнее 12. При смыкании двух колец с помощью разъемных вакуумно-плотных соединений в корпусе 13 образуются две кольцевые полости, разные по своему назначению. В нижней - охлаждался катод с постоянными магнитами благодаря обдуву протоком сжатого воздуха через штуцеры 14. В верхнее кольцо 12 к установленным штуцерам 15 на диаметрально противоположных сторонах поступал рабочий газ по магистральной диэлектрической трубке 16 через газораспределитель 17 от баллона 18 с игольчатым натекателем 19 (фиг.2, 3) и проходил внутренние каналы, соединяющие штуцеры 15 с выходными отверстиями 20 в проточке внутренней стороны верхнего кольца 12, и проникал в отсеченную от атмосферы с помощью вакуумноплотных соединений 21 полость, имеющую 28 отверстий 22, далее напроход распространялся по сообщающимся отверстиям 9 и 10 в стержнях 5, одновременно растекаясь по всем разрядным ячейкам 8.

Работает источник электронов с радиально сходящимся ленточным пучком следующим образом. Плазменный источник электронов 23 вакууммировался до давления остаточных газов ~2-10^-4 торр присоединением через проходной изолятор 24 к вакуумной камере 25 и уплотнением технологической крышкой 26 из оргстекла, на который крепился извлекающий электрод 27. Соосность элементов источника электронов 23 выдерживалась выполненными проточками в проходном изоляторе 24 и технологической крышке 26, имеющей высоковольтный ввод извлекающего электрода по кабелю 28 от высоковольтного выпрямителя 29.

Затем напускался рабочий газ и после установления газодинамического равновесия в системе напуска и откачки при давлении ~7-10^-4 торр, измеряемым вакуумметром 30 с помощью датчиков-преобразователей, установленных в области расположения источника электронов на вакуумной камере, подавалось напряжение на разрядный промежуток между анодом и катодом от источника постоянного тока 31. Благодаря рациональному сочетанию электрического и магнитного ЕХВ полей зажигался низковольтный тлеющий разряд в пеннинговской электродной системе. С появлением стартового тока в несколько микроампер свечение мгновенно возникало во всех ячейках, с ростом тока разряда свечение становилось интенсивнее по визуальному наблюдению сквозь оргстеклянную технологическую крышку 26 (фиг.3). Устойчивое горение разряда связано секционированием полости анода в виде цилиндрического тороида полюсными наконечниками и газообеспечением протяженной кольцевой разрядной системы.

Кольцевая плазма разряда локализовалась в пеннинговских ячейках 8 и механически контрагировалась в эмиссионном канале 32, выполненного из ферромагнитного материала, ослабляющего поперечную составляющую магнитного поля, что приводит к усилению продольной компоненты магнитного поля в окрестности эмиссионной щели 33. Использование ускоряющего электрода 27 из ферромагнитного материала усиливает "провисание" магнитного поля в сторону направления движения электронов в цилиндрическом ускоряющем зазоре за счет ослабления влияния магнитного поля рассеяния.

При подаче напряжения от высоковольтного выпрямителя 29 на промежуток между анодными кольцами 2 и извлекающим электродом 27 получали радиально сходящийся пучок на коллекторе.

Азимутальное распределение тока 28 сходящихся ленточных пучков электронов, определяемое новым методом с помощью устройства вращающегося цилиндра Фарадея, имеет относительную однородность ±5% с учетом погрешности измерений.

Использование в качестве генератора кольцевой эмиттирующей радиально сходящийся пучок плазмы пеннинговского разряда с полым катодом низкого давления вместо вакуумного дугового разряда, инициируемого разрядом по поверхности диэлектрика, обеспечивает длительную и стабильную электронную эмиссию ленточных пучков. Благодаря возможности изменения толщины пучка за счет изменения размера кольцевой эмиссионной щели цилиндрического тороида повышается эффективность использования данного источника электронов.

Надежность при непрерывной работе эксплуатации источника с холодным полым катодом до 100 часов и технологическая возможность термообработки деталей, изделий с равномерным энерговкладом в локальную поверхность объекта выгодно отличает предлагаемый источник от прототипа.

Изобретение относится к плазменной эмиссионной электронике, в частности к конструкции источника электронов с плазменным эмиттером, генерирующего радиально сходящиеся ленточные пучки, и может быть использовано в электронно-ионной вакуумной технологии термообработки наружных поверхностей деталей и изделий цилиндрической формы ускоренным пучком электронов. Технический результат изобретения заключается в повышении эффективности, надежности пеннинговского эмиттера с радиально сходящимся пучком электронов, увеличении его функциональных возможностей при обработке деталей и изделий цилиндрической формы за счет изменения геометрических размеров выходного окна регулируемой эмиссионной щели от 1-5 мм. Плазменный источник электронов на основе пеннинговского разряда с радиально сходящимся ленточным пучком содержит анод, выполненный в виде цилиндрического тороида, перфорированного отверстиями на боковой поверхности, и двух съемных колец Г-образной формы сечения, на края которых напрессованы ферромагнитные вставки с образованием регулируемой эмиссионной щели в виде усеченного конуса. Концентрично внутри анода расположен катод, выполненный в виде опорного кольца прямоугольной формы сечения, на внутренней стороне которого по образующей заглублены ферромагнитные стержни на половину своей длины, а выступающие кубические части стержней делят полость анода на разрядные ячейки типа Пеннинга. На внешней боковой поверхности катода в пазах установлены попарно скрепленные постоянные магниты, создающие в каждой ячейке поперечное магнитное поле, при этом направление силовых линий магнитного поля от ячейки к ячейке периодически меняется. В цилиндрическом тороиде соосно установлен извлекающий электрод в виде усеченного конуса, обращенного малым основанием к эмиссионной щели, а стержни имеют сообщающиеся между собой отверстия для подачи рабочего газа в разрядные ячейки от газораспределителя. 3 ил.

Плазменный источник электронов на основе пеннинговского разряда с радиально сходящимся ленточным пучком, содержащий анод, выполненный в виде цилиндрического тороида, перфорированного отверстиями на боковой поверхности, и двух съемных колец, имеющих Г-образную форму в сечении, на края которых напрессованы ферромагнитные вставки с образованием регулируемой эмиссионной щели в виде усеченного конуса, концентрично внутри анода расположен катод, выполненный в виде опорного кольца, имеющего прямоугольную форму в сечении, на внутренней стороне которого по образующей заглублены ферромагнитные стержни наполовину своей длины, а выступающие кубические части стержней делят полость анода на разрядные ячейки типа Пеннинга, на внешней боковой поверхности катода в пазах установлены попарно скрепленные постоянные магниты, создающие в каждой ячейке поперечное магнитное поле, при этом направление силовых линий магнитного поля от ячейки к ячейке периодически меняется, в цилиндрическом тороиде соосно установлен извлекающий электрод в виде усеченного конуса, обращенного малым основанием к эмиссионной щели, а стержни имеют сообщающиеся между собой отверстия для подачи рабочего газа в разрядные ячейки от газораспределителя.