СИЛЬНОТОЧНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ ПУШКА Российский патент 2007 года по МПК H01J3/02 

Изобретение относится к технике генерирования сильноточных электронных пучков (СЭП) и может быть использовано для создания импульсных сильноточных электронных ускорителей, а также для поверхностной обработки материалов и изделий этими пучками.

Известна электронная пушка по способу [1], содержащая взрывоэмиссионный катод и анод отражательного разряда (ОР) типа Пеннинга. Анодная плазма, генерируемая в ОР, предварительно заполняет ускоряющий промежуток и пространство дрейфа пучка, т.е. пространство между катодом и коллектором. При последующей подаче импульса ускоряющего напряжения на катод электрическое поле сосредотачивается в прикатодном слое объемного заряда ионов анодной плазмы. На катоде происходит возбуждение взрывной эмиссии с образованием сгустков плотной катодной плазмы - эмиттера электронов. После этого приложенное напряжение практически полностью сосредоточивается в двойном электрическом слое между катодной и анодной плазмами, в котором происходит ускорение и формирование электронного пучка. Наличие анодной плазмы существенно увеличивает первеанс электронного потока по сравнению с потоком в вакуумном промежутке той же протяженности, что обеспечивает получение СЭП даже при относительно низких значениях ускоряющего напряжения (десятки кВ). Для предотвращения пинчевания пучка электронная пушка помещается в ведущее магнитное поле. Недостатком данной пушки является наличие утечек тока в радиальном направлении. Эти утечки обусловлены проникновением плазмы магнетронного разряда, возникающего между анодом и корпусом электронной пушки, в область между катодом и корпусом пушки. Зажигается магнетронный разряд практически одновременно с основным (пеннинговским) разрядом. Утечки тока приводят к сокращению длительности импульса СЭП, уменьшению его энергии, а также к ухудшению стабильности параметров пучка от импульса к импульсу.

Наиболее близкой по техническому решению к заявляемому изобретению, выбранной за прототип, является электронная пушка со взрывоэмиссионным катодом и плазменным анодом на основе отражательного разряда [2]. Электродная система ОР состоит из кольцевого анода, на который подается положительный импульс напряжения, а также катода пушки и коллектора, которые являются катодами ОР. Аксиальное ведущее магнитное поле, необходимое для зажигания ОР и для транспортировки пучка, создается соленоидом, расположенным снаружи. Использование заземленной диафрагмы с диаметром отверстия, меньшим диаметра катода, расположенной между анодом и взрывоэмиссионным катодом, повышает стабильность параметров пучка от импульса к импульсу, поскольку диафрагма препятствует появлению плазмы в области между корпусом пушки и катодом и, следовательно, формированию канала радиальных утечек тока.

Недостатком электронной пушки данной конструкции является деградация эмиссионной способности взрывоэмиссионного катода в результате осаждения на его поверхности пленки из материала облучаемого образца или изделия в случае, если образец или изделие изготовлены из материала с низкой эмиссионной способностью в сильных электрических полях, например, никеля или нержавеющей стали, содержащей никель в значительных количествах. Особенно быстро деградация эмиссионной способности катода происходит, если работа ведется в безмасляном вакууме. В результате деградации катода уменьшается межремонтный срок службы электронной пушки, снижается энергия пучка, ухудшается стабильность генерации СЭП вплоть до возникновения холостых срабатываний, при которых, несмотря на подачу импульса ускоряющего напряжения, взрывная электронная эмиссия на катоде практически не возбуждается и пучок не генерируется. Появление холостых срабатываний нежелательно не только из-за нарушения режима обработки, но и по той причине, что в результате такого холостого срабатывания может развиться пробой по поверхности высоковольтного изолятора. Это, в свою очередь, может привести как к загрязнению обрабатываемых материалов продуктами эрозии изолятора, так и, в конечном итоге, к разрушению самого изолятора.

Задача, решаемая изобретением, - повышение срока службы пушки, повышение стабильности параметров СЭП.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение срока службы взрывоэмиссионного катода.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известной сильноточной электронной пушке, размещенной во внешнем ведущем магнитном поле и включающей в себя взрывоэмиссионный катод, анод отражательного разряда, заземленную диафрагму с диаметром отверстия, меньшим диаметра катода, установленную между катодом и анодом, и коллектор, согласно изобретению диафрагма изготовлена из материала, обладающего высокой эмиссионной способностью в сильных электрических полях. В качестве таких материалов могут служить медь, магний, графит и ряд других.

Как показывают эксперименты, несмотря на фокусирующее действие магнитного поля, диафрагма подвергается интенсивной бомбардировке электронами, эмитируемыми с периферийной части взрывоэмиссионного катода. В результате испарения и переноса материала диафрагмы на поверхность взрывоэмиссионного катода после каждого импульса формируется пленка из этого материала. Если диафрагма изготовлена из материала, обладающего высокой эмиссионной способностью в сильных электрических полях, то это обеспечивает повышение срока службы взрывоэмиссионного катода.

На Фиг.1 приведена принципиальная конструктивная схема предлагаемой сильноточной электронной пушки. Катодами ОР являются, с одной стороны, взрывоэмиссионный катод 1 и диафрагма 2, а с противоположной стороны - коллектор пучка 3. Диафрагма 2 размещена между взрывоэмиссионным катодом 1 и анодом 4. Анод 4, на который подается положительный импульс напряжения, представляет собой тонкостенное металлическое кольцо. Аксиальное ведущее магнитное поле создается секционированным соленоидом 5, размещенным снаружи корпуса электронной пушки 6. Проходной высоковольтный изолятор 7 изготовлен из фарфора. Корпус электронной пушки вакуумноплотно присоединен к рабочей камере 8, к которой также подключены системы вакуумной откачки и стационарного напуска рабочего газа. Для электропитания ОР, соленоида и катода электронной пушки используются блок питания разряда (БПР), блок питания соленоида (БПС), генератор импульсных напряжений (ГИН) соответственно, которые управляются командами блока управления (БУ).

Электронная пушка работает следующим образом. После откачки объема электронной пушки до давления не более 0,005 Па в нее стационарно напускается рабочий газ (в нашем случае аргон) до давления порядка 0,05 Па. Затем включается БПС, и в электронной пушке создается ведущее магнитное поле, которое обеспечивает не только зажигание ОР, но и последующую транспортировку СЭП к коллектору 3. В момент достижения максимума магнитного поля на анод ОР подается импульс положительной полярности амплитудой 4-5 кВ от БПР. После перехода ОР в сильноточную стадию с установленной задержкой на катод 1 электронной пушки подается импульс ускоряющего напряжения отрицательной полярности амплитудой 12-36 кВ. После возбуждения взрывной электронной эмиссии ускоряющее напряжение сосредотачивается в двойном электрическом слое между катодной и анодной плазмами. Ускоренный в двойном слое электронный пучок транспортируется в анодной плазме к коллектору 3, на котором могут располагаться обрабатываемые образцы или детали.

Экспериментальные наблюдения «автографов» СЭП на диафрагме показали, что диаметр пучка с плотностью энергии, достаточной для распыления даже такого трудно распыляемого импульсным электронным пучком материала, как медь, превышает диаметр отверстия диафрагмы на 10-15 мм, если диаметр катода не меньше диаметра отверстия в диафрагме. Взрывоэмиссионный катод с диаметром эмитирующей части 65 мм был изготовлен из медной же проволочной плетенки, запрессованной в обойму из нержавеющей стали диаметром 75 мм. Диаметр отверстия в диафрагме составлял 60 мм. Таким образом, были обеспечены условия переноса материала диафрагмы на поверхность катода.

На Фиг.2,а приведены экспериментальные данные по ресурсным испытаниям взрывоэмиссионного катода с диафрагмами из разных материалов и в ее отсутствие. Конкретно исследовалась зависимость вероятности холостых срабатываний взрывоэмиссионного катода η_xx от общего числа выстрелов пушки, N. Испытания проводились в следующих условиях: остаточное давление - не выше 0,001 Па, давление рабочего газа (аргон) - 0,04 Па, материал коллектора - нержавеющая сталь марки 12Х18Н10Т, плотность энергии СЭП на коллекторе - от 6 до 12 Дж/см², облучение проводилось сериями от 30 до 200 выстрелов в одном вакуумном цикле. В качестве материала диафрагмы использовались нержавеющая сталь марки 12Х18Н10Т и медь марки М0Б. Критерием выработки ресурса взрывоэмиссионного катода выбрано увеличение вероятности холостых выстрелов до 10% от общего числа выстрелов.

Из данных Фиг.2,а видно:

- использование диафрагмы из нержавеющей стали сокращает ресурс службы взрывоэмиссионного катода примерно в 1,7 раза по сравнению со случаем ее отсутствия;

- использование диафрагмы из меди на сегодняшний момент позволило более чем в три раза превысить ресурс работы катода по сравнению со случаем ее отсутствия и более чем в пять раз по сравнению со случаем диафрагмы из нержавеющей стали. При этом признаков выработки ресурса взрывоэмиссионного катода пока не наблюдается.

Использование медной диафрагмы позволило также осуществить восстановление эмиссионной способности катода. Это иллюстрируется графиком на Фиг.2,б. Первые 1700 выстрелов были сделаны без диафрагмы, и в конце этой серии n_xx достигло 10% (участок АВ), поверхность катода оказалась запылена продуктами испарения коллектора (нержавеющая сталь). Затем была установлена медная диафрагма, и после серии в 300 выстрелов (участок ВС) стабильность эмиссии катода резко улучшилась (участок СД). Прямым следствием улучшения эмиссионной способности катода стало повышение стабильности работы электронной пушки.

Источники информации

1. Патент РФ №1706329, МПК Н01J 3/02. Способ формирования электронных пучков с помощью взрывоэмиссионной электронной пушки. Г.Е.Озур, Е.М.Оке, Д.И.Проскуровский. Заявл. 09.01.89 // БИ №10, 1994.

2. Патент РФ №2237942, МПК Н01J 3/02. Сильноточная электронная пушка. Г.Е.Озур, Д.И.Проскуровский, К.В.Карлик. Заявл. 24.03.2003 // БИ №28, 2004.

Изобретение относится к технике генерирования сильноточных электронных пучков и может быть использовано для создания импульсных сильноточных электронных ускорителей, а также для поверхностной обработки материалов и изделий. Сильноточная электронная пушка, размещенная во внешнем ведущем магнитном поле и включающая в себя взрывоэмиссионный катод, анод отражательного разряда, заземленную диафрагму с диаметром отверстия, меньшим диаметра катода, установленную между катодом и анодом, и коллектор, при этом диафрагма изготовлена из материала, обладающего высокой эмиссионной способностью в сильных электрических полях. Технический результат - повышение срока службы и восстановление эмиссионной способности взрывоэмиссионного катода. 2 ил.

Сильноточная электронная пушка, размещенная во внешнем ведущем магнитном поле и включающая взрывоэмиссионный катод, анод отражательного разряда, заземленную диафрагму с диаметром отверстия, меньшим диаметра катода, установленную между катодом и анодом, коллектор, отличающаяся тем, что диафрагма изготовлена из материала, обладающего высокой эмиссионной способностью в сильных электрических полях.