ПЛАЗМЕННЫЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ ИСТОЧНИК Российский патент 2007 года по МПК H05H1/00 

Изобретение относится к области плазменной техники и может быть применено при разработке электронно-лучевых устройств и использовано в электронно-лучевой технологии, экспериментальной физике, плазмохимической технологии.

Известны устройства, предназначенные для генерации электронных пучков путем эмиссии электронов из газоразрядной плазмы (а/с СССР №№835264, 1455928). В этих устройствах плазма создается путем инициирования разряда в газе. Разряд, т.е. ток в газе, поддерживается напряжением, прикладываемым между электродами разрядной системы. Плазменная эмиссионная граница создается в пределах отверстия, выполняемого в одном из электродов разрядной системы. В электронном источнике с плазменным катодом (а/с СССР №1455928), включающем полый катод, цилиндрический анод, плоский катод-отражатель, расположенный напротив полого катода, фокусирующую систему, эмиссионное отверстие устроено в центре плоского катода-отражателя. Ускоряющее напряжение прикладывается между катодом-отражателем и ускоряющим электродом - экстрактором. Указанная электронная пушка позволяет получать остросфокусированный пучок электронов с энергией 20-40 кэВ при давлении газа в ускоряющем промежутке 1,3*10^-3 Па ÷ 1,3*10^-2 Па. Инициирование разряда при подаче напряжения между полым катодом и анодом обеспечивается перепадом давления в эмиссионном отверстии за счет напуска газа в катодную полость. При переходе в область давлений, соответствующих форвакууму (1-15 Па) не удается поддерживать работоспособность устройства при постоянном напуске газа, т.к. при этом теряется электрическая прочность ускоряющего промежутка. Устранение напуска не позволяет инициировать и поддерживать разряд, т.е. обеспечивать работоспособность источника.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является плазменный электронный источник (патент России №2215383), содержащий соосные полый катод, анод с эмиссионным отверстием и ускоряющий электрод, диск из термостойкого неорганического диэлектрика.

Указанный источник позволяет получать в форвакууме электронные пучки сравнительно большого (не менее 1 см²) сечения в отсутствие напуска газа в катодную полость. Инициирование разряда осуществляется за счет обратного ионного потока из ускоряющего промежутка в разрядную область. Существование этого ионного потока обусловлено слаботочным высоковольтным тлеющим разрядом, имеющим место при подаче напряжения на ускоряющий промежуток в области давлений, соответствующих форвакууму. Генерация остросфокусированных пучков требует использования эмиссионных отверстий малой (не более 1 мм²) площади. В этом случае величина обратного ионного потока в разрядную область оказывается недостаточной для инициирования и поддержания разряда.

Целью настоящего изобретения является обеспечение инициирования разряда в форвакуумном источнике сфокусированного электронного пучка. Поставленная цель достигается тем, что в известном источнике, содержащем соосные полый катод, анод, ускоряющий электрод, диск из термостойкого неорганического диэлектрика, размещают фокусирующую систему, эмиссионное отверстие устраивают в центре анода и оставляют его неперекрытым, а вокруг эмиссионного отверстия в аноде выполняют окна, перекрытые сеткой с размером ячейки, меньшим радиуса эмиссионного отверстия.

Схема предлагаемого источника электронов представлена на фиг.1. Полый катод 1, анод 2 и ускоряющий электрод 3 размещены соосно на керамических изоляторах 4, один из которых укреплен на фланце 5. Керамический диск 6 расположен между анодом 2 и ускоряющим электродом 3. Эмиссионное отверстие 7 устроено в центре анода 2 и оставлено неперекрытым. Новыми элементами по сравнению с прототипом являются: устроенные вокруг эмиссионного отверстия в аноде окна 8, перекрытые металлической сеткой с размером ячейки, меньшим радиуса эмиссионного отверстия, и фокусирующая система 9.

Как и в наиболее близком из рассмотренных аналогов, инициирование разряда в полом катоде осуществляется за счет обратного ионного потока, проникающего из ускоряющего промежутка через окна в аноде в разрядную область. В то же время, ограничения, накладываемые на размер ячеек сеток, перекрывающих окна, расположенные вокруг эмиссионного отверстия в аноде, существенно снижают электронную эмиссию через эти окна за счет наличия для плазменных электронов потенциального барьера, обусловленного ионным слоем, отделяющим плазму от сетки. Для ионов из ускоряющего промежутка барьер отсутствует, и они беспрепятственно проникают в разрядную область. В связи с указанными обстоятельствами эмиссия электронов из плазмы осуществляется через центральное отверстие в аноде, не перекрытое сеткой. Это позволяет осуществить эффективную фокусировку пучка, добившись в фокальной плоскости диаметра, не превышающего 1 мм. Источник работает следующим образом. По достижении в вакуумной камере давления 2-10 Па, соответствующего форвакууму, к разрядному промежутку: полый катод 1 - анод 2 подключают блок питания разряда с напряжением порядка 500 В. В этих условиях разряд не зажигается, т.е. I_d=0. Затем плавно повышают напряжение U_e на ускоряющем промежутке: анод 2 - ускоряющий электрод 3. При этом в ускоряющем промежутке возникает слаботочный высоковольтный тлеющий разряд. Формируемый этим разрядом поток ускоренных ионов движется к аноду 2 и через окна 8 проникает в полость катода 1, вызывая вторичную электронную эмиссию с его стенок. Возрастание тока ионов I_i, в цепи полого катода с увеличением U_e иллюстрируется пунктирной кривой на фиг.2. При некотором значении U_e (обычно 3÷5 кВ) и соответствующем значении ионного тока I_i происходит зажигание разряда, что фиксируется в виде резкого возрастания тока I_d (фиг.2). Дальнейший подъем ускоряющего напряжения до значений 15-20 кВ при включенной фокусирующей системе обеспечивает формирование остросфокусированного электронного пучка. Это подтверждается осциллограммами тока вращающегося зонда, выполненного в виде проволоки, пересекающей пучок в перпендикулярной плоскости (фиг.3).

Предлагаемый электронный источник позволяет получать сфокусированный электронный пучок в области давлений до 10 Па при ускоряющем напряжении не меньшем чем у наиболее близкого аналога, что расширяет возможные области применения электронных пучков. В частности, предлагаемый источник может быть использован в установках электроннолучевой сварки.

Изобретение относится к области плазменной техники и может быть применено при разработке электронно-лучевых устройств и использовано в электронно-лучевой технологии, экспериментальной физике, плазмохимической технологии. Сущность изобретения заключается в том, что в известном источнике, содержащем соосные полый катод, анод, ускоряющий электрод, диск из термостойкого неорганического диэлектрика, эмиссионное отверстие устраивают в центре анода и оставляют его неперекрытым, а вокруг эмиссионного отверстия в аноде выполняют окна, перекрытые сеткой с размером ячейки, меньшим радиуса эмиссионного отверстия. Заявленное устройство позволяет обеспечить инициирование разряда и сохранить преимущественную эмиссию из одиночного эмиссионного отверстия. 3 ил.

Плазменный источник для генерации электронного пучка в форвакууме, включающий в себя соосные полый катод, анод с эмиссионным отверстием в центре, ускоряющий электрод, диск из термостойкого неорганического диэлектрика, отличающийся тем, что, с целью обеспечения инициирования разряда при формировании остросфокусированного пучка, вокруг эмиссионного отверстия в аноде выполняют окна, перекрытые сеткой с размером ячейки, меньшим радиуса эмиссионного отверстия, и источник снабжают фокусирующей системой.