Электронная отпаянная пушка для вывода электронного потока и рентгеновского излучения из вакуумной области в атмосферу Российский патент 2018 года по МПК H01J3/02 

Изобретение относится к электронной технике и рентгенотехнике, а именно к электронным пушкам, предназначенным для инжекции высокоэнергетических электронов и рентгеновского излучения из вакуумной области пушки в атмосферу или иную среду, и может быть использовано в плазмохимии для полимеризации и ускорения медленно протекающих химических реакций, в биологии и медицине для эффективной обработки объектов, полупроводниковой микроэлектронике для создания новых структур, в квантовой электронике для электроионизационных лазеров, а также в других областях техники.

Высокоэнергетические электроны и рентгеновское излучение по-разному воздействуют на вещество. Например, при облучении твердой или жидкой фазы вещества электроны преимущественно поглощаются в тонком приповерхностном слое, в то время как рентгеновское излучение проникает гораздо глубже в объем. При воздействии на плазму высокоэнергетический поток электронов преимущественно отдает свою энергию свободным электронам плазмы, возбуждая в ней неустойчивости разного типа, рентгеновское же излучение в основном поглощается атомами и ионами, точнее их связанными электронами. Поэтому для более полного и эффективного воздействия на вещество желательно обрабатывать его как электронами, так и рентгеновским излучением, причем одновременно.

В основном в существующих электронных отпаянных пушках вывод высокоскоростного потока электронов из вакуумной области пушки наружу осуществляется через тонкую металлическую фольгу, при прохождении которой лишь незначительная часть энергии электронов преобразуется в рентгеновское излучение. Кроме того, у металлов, используемых в качестве материала фольги, - титана, бериллия /Симонов К.Г. Электронные отпаянные пушки. М.: Радио и Связь, 1985, 125 с./ максимальная энергия квантов характеристического рентгеновского излучения не превосходит 5кэВ, поэтому они обладают слабой проникающей способностью /Физические величины: Справочник /А.П. Бабичев, Н.А. Бабушкина и др. Под ред. И.С. Григорьева. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 1232 с./.

Для повышения энергии квантов характеристического рентгеновского излучения необходимо использовать в электронной отпаянной пушке в качестве материала фольги тяжелые металлы, например, как вольфрам и молибден, которые применяют в источниках рентгеновского излучения /там же/.

Замена фольги из бериллия и титана на фольгу из вольфрама или молибдена увеличит энергию квантов характеристического рентгеновского излучения, но уменьшит ток и снизит энергию прошедшего сквозь фольгу электронного потока, так как глубина проникновения электронов в вещество обратно пропорциональна его плотности /Коваленко В.Ф. Теплофизические процессы и электровакуумные приборы. М., Сов. Радио,. 1975, 216 с./.

Одновременно вывести электронный поток и рентгеновское излучение в атмосферу или иную среду можно с помощью рентгеновской трубки, работающей на прострел /Патент РФ №2567848/, уменьшив для этого толщину мишени.

Недостатком такого решения будет снижение интенсивности рентгеновского излучения вследствие неполного использования электронного потока для получения рентгеновского излучения.

Таким образом, вывести одновременно высокоскоростной электронный поток и рентгеновское излучение в атмосферу или иную среду из электронной отпаянной пушки или источника рентгеновского излучения, работающего на прострел, можно в обоих случаях, но увеличение доли одной компоненты происходит за счет снижения доли другой, т.е. такое техническое решение неэффективно.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является электронная отпаянная пушка для вывода электронного потока из вакуумной области пушки в атмосферу или иную газовую среду, включающая корпус в виде металлической трубы, в торцевой части которой расположено окно вывода электронов, выполненное из теплопроводящего диэлектрика, в частности алмаза, переменной толщины по площади окна и вакуумно-плотно соединенное с опорным основанием окна, токопроводящее покрытие на обращенной к катоду поверхности окна и электрически связанное с опорным основанием окна и корпусом пушки, расположенные в корпусе соосно катод, продольная ось которого параллельна продольной оси окна вывода электронов, и фокусирующие электроды /Патент РФ №2590891/.

Это техническое решение при использовании алмаза позволяет увеличить пропускаемую среднюю плотность мощности до 50 Вт/см² и даже работать в непрерывном режиме.

Недостатком данной пушки является низкая энергия квантов характеристического рентгеновского излучения, а следовательно, их низкая проникающая способность, вследствие использования токопроводящего покрытия из материалов с малым атомным весом, например, графита /Физические величины: Справочник /А.П. Бабичев, Н.А. Бабушкина и др. Под ред. И.С. Григорьева. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 1232 с./.

Задачей изобретения является устранение вышеуказанного недостатка.

Техническим результатом предложенного технического решения является расширение функциональных возможностей электронной отпаянной пушки за счет дополнительной генерации ею характеристического рентгеновского излучения с высокой энергией квантов, при сохранении параметров электронного потока прототипа.

Указанная задача решается, а технический эффект достигается за счет того, что в электронной отпаянной пушке для вывода электронного потока из вакуумной области пушки в атмосферу или иную газовую среду, включающей корпус в виде металлической трубы, в торцевой части расположено окно вывода электронов, содержащей, по крайней мере, одну алмазную пластину и вакуумно-плотно соединенное с опорным основанием окна, токопроводящее покрытие, нанесенное на обращенную к катоду поверхность окна и электрически связанное с опорным основанием окна и корпусом пушки, расположенные в корпусе соосно катод, продольная ось которого параллельна продольной оси окна вывода электронов, и фокусирующие электроды, токопроводящее покрытие выполнено неоднородным по площади окна с участками, содержащими тяжелый металл/лы и расположенными преимущественно в областях максимальных толщин окна.

Толщина участков токопроводящего покрытия, содержащих тяжелый металл и расположенных в областях максимальных толщин окна, больше или равна глубине проникновения в токопроводящее покрытие электронов с катода, а толщина участков токопроводящего покрытия на алмазной пластине в областях минимальных толщин окна меньше глубины проникновения в токопроводящее покрытие электронов с катода.

На поверхность выводного окна, обращенную от катода, нанесено токопроводящее покрытие, электрически связанное с опорным основанием окна и корпусом пушки.

Катод выполнен в виде двух групп ячеек, одна из которых размещена азимутально симметрично участкам покрытия выводного окна, содержащим тяжелый металл, а другая размещена азимутально симметрично областям минимальных толщин выводного окна.

Окно выполнено либо из одной алмазной пластины, неоднородной по толщине, либо содержит пластину со сквозными отверстиями, выполненную из теплопроводящего материала с коэффициентом теплопроводности более 4 Вт/см⋅К и вакуумно-плотно соединенную с каждой алмазной пластиной, при этом пластина со сквозными отверстиями выполнена из алмаз- арбидокремниевого композита.

На фиг. 1 схематично показана в разрезе электронная отпаянная пушка.

На фиг. 2- приведена в разрезе конструкция окна.

Электронная пушка состоит из катодного узла 1, включающего катод и фокусирующие электроды и закрепленного на катодном держателе 2 через высоковольтный изолятор 3 на торце корпуса 4. Соосно катодному узлу 1 на противоположном торце корпуса установлено алмазное окно 5 в виде пластины с глухими отверстиями 6 для вывода электронов, вакуумно-плотно соединенной с опорным основанием окна 7. Основание 7 вакуумно-плотно соединено с корпусом пушки 4. На поверхность окна 5, обращенную внутрь пушки, нанесено токопроводящее разнородное покрытие из материала с малым атомным весом 8 в области глухих отверстий 6 и из материала с металлом с большим атомным весом, а следовательно, с высокой энергией квантов характеристического излучения (тяжелый металл) 9 в участках окна большей толщины. Оба материала покрытия 8 и 9 электрически связаны между собой, с опорным основанием окна 7 и корпусом пушки 4.

Электронная пушка работает следующим образом.

На катод, например, прямонакальный, и фокусирующие электроды, выполненные, например, из молибдена, катодного узла 1 от высоковольтного источника(ов) питания (не показан) подается отрицательное относительно земли напряжение. Корпус пушки 4, выполненный, например, из нержавеющей стали, заземлен. Внутри пушки, между катодным узлом 1 и корпусом 4 создано электрическое поле, которое формирует высокоскоростной поток электронов, эмитированных катодом, и направляет его на токопроводящее покрытие 8, 9 окна 5. Токопроводящее покрытие 8 выполнено, например, из графита 8, а токопроводящее покрытие 9 выполнено, например, из вольфрама.

Поток электронов, попавших на графитовое токопроводящее покрытие 8, практически без потерь проходит сквозь него и тонкие участки алмазного окна в области глухих отверстий и выходит наружу в атмосферу. Поток электронов, попавших на токопроводящее покрытие из вольфрама 9, полностью тормозится в нем, генерируя рентгеновское излучение, которое проходит сквозь рентгенопрозрачный алмаз /там же/.

Электроны, перехваченные алмазным окном после их накопления, уходят через токопроводящее покрытие 8 на землю, как описано в прототипе.

В отличие от прототипа, где электроны, попавшие в толстые области алмазного окна, полностью перехватывались им, преобразуя свою энергию лишь в тепло, в предложенном техническом решении эти электроны полностью перехватываются вольфрамовым покрытием, генерируя дополнительно рентгеновское излучение с высокой энергией квантов, которые проходят сквозь алмаз, как сказано выше.

Для более эффективной работы устройства токопроводящее покрытие, содержащее тяжелый металл/лы и нанесенное на толстые участки окна, выполняют толщиной больше глубины проникновения в это покрытие электронов, эмитированных катодом, а токопроводящее покрытие, нанесенное на тонкие участки, - менее.

Для исключения влияния отрицательного заряда окна на работу электронной пушки на внешнюю, обращенную от катода, поверхность окна нанесено токопроводящее покрытие, электрически связанное с опорным основанием окна и корпусом пушки. Без этого токопроводящего покрытия положительные ионы, возникшие в атмосфере при прохождении электронного потока, будут интенсивно бомбардировать окно под действием его отрицательного заряда. Нанесение токопроводящего покрытия на внешнюю поверхность окна экранирует его отрицательный заряд, а следовательно, исключает указанную бомбардировку.

Для работы устройства, преимущественно как электронной пушки или как рентгеновского источника, катод выполняют в виде двух групп индивидуальных независимых ячеек, одна из которых размещена азимутально симметрично участкам выводного окна, содержащим тяжелый металл, а другая размещена азимутально симметрично глухим отверстиям окна. Работа группы ячеек, расположенных напротив участков окна, содержащих тяжелый металл, приводит к генерации рентгеновского излучения, а работа другой группы ячеек приводит к генерации высокоэнергетических электронов.

Для повышения надежности устройства при эксплуатации окно выполняют из двух пластин: сплошной тонкой алмазной и толстой из теплопроводящего материала с коэффициентом теплопроводности более 4 Вт/см⋅К, в частности алмаз-карбидокремниевого композита, со сквозными отверстиями, при этом обе пластины вакуумно плотно соединены между собой.

Таким образом, предложенное техническое решение расширяет функциональные возможности электронной отпаянной пушки за счет дополнительной генерации ею характеристического рентгеновского излучения с высокой энергией квантов, при сохранении параметров электронного потока на уровне прототипа.

Изобретение относится к электронной технике и рентгенотехнике, а именно к электронным пушкам, предназначенным для инжекции высокоэнергетических электронов и рентгеновского излучения из вакуумной области пушки в атмосферу или иную среду, и может быть использовано в плазмохимии, биологии, медицине, полупроводниковой и квантовой электронике, а также других областях техники. Технический результат - расширение функциональных возможностей электронной отпаянной пушки за счет дополнительной генерации рентгеновского излучения при сохранении высокой средней плотности мощности пушки. Электронная отпаянная пушка включает катод, металлический корпус, в торце которого соосно катоду расположено неоднородное по толщине окно вывода электронов с глухими отверстиями, включающее алмазную пластину. На поверхность окна, обращенную к катоду, нанесено неоднородное по площади токопроводящее покрытие, электрически связанное с корпусом, при этом покрытие вне области глухих отверстий содержит тяжелый металл для генерации рентгеновского излучения, а электронный поток выводят наружу через алмазную пластину и глухие отверстия. 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Электронная отпаянная пушка для вывода электронного потока из вакуумной области пушки в атмосферу или иную газовую среду, включающая корпус в виде металлической трубы, в торцевой части расположено неоднородное по толщине окно вывода электронов, содержащее, по крайней мере, одну алмазную пластину и вакуумно-плотно соединенное с опорным основанием окна, токопроводящее покрытие, нанесенное на обращенную к катоду поверхность окна и электрически связанное с опорным основанием окна и корпусом пушки, расположенные в корпусе соосно катод, продольная ось которого параллельна продольной оси окна вывода электронов, и фокусирующие электроды, отличающаяся тем, что токопроводящее покрытие выполнено неоднородным по площади окна с участками, содержащими, по крайней мере, один из тяжелых металлов и расположенными в областях максимальных толщин окна.

2. Электронная отпаянная пушка по п. 1, отличающаяся тем, что толщина участков токопроводящего покрытия, содержащих тяжелый металл и расположенных в областях максимальных толщин окна, больше или равна глубине проникновения в токопроводящее покрытие электронов с катода.

3. Электронная отпаянная пушка по п. 1, отличающаяся тем, что толщина участков токопроводящего покрытия на алмазной пластине в областях минимальных толщин окна меньше глубины проникновения в токопроводящее покрытие электронов с катода.

4. Электронная отпаянная пушка по п. 1, отличающаяся тем, что на поверхность выводного окна, обращенную от катода, нанесено токопроводящее покрытие, электрически связанное с опорным основанием окна и корпусом пушки.

5. Электронная отпаянная пушка по п. 1, отличающаяся тем, что катод выполнен в виде двух групп ячеек, одна из которых размещена азимутально симметрично участкам покрытия выводного окна, содержащим тяжелый металл/лы, а другая размещена азимутально симметрично областям минимальных толщин выводного окна.

6. Электронная отпаянная пушка по п. 1, отличающаяся тем, что окно вывода электронов выполнено из одной алмазной пластины, неоднородной по толщине.

7. Электронная отпаянная пушка по п. 1, отличающаяся тем, что окно вывода электронов содержит пластину со сквозными отверстиями, выполненную из теплопроводящего материала с коэффициентом теплопроводности более 4 Вт/см⋅К и вакуумно-плотно соединенную с каждой алмазной пластиной.

8. Электронная отпаянная пушка по п. 7, отличающаяся тем, что пластина со сквозными отверстиями выполнена из алмаз-карбидокремниевого композита.