ИСТОЧНИК ИМПУЛЬСНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ Российский патент 2021 года по МПК H01J37/65 H01J3/02 

Изобретение относится к источникам электронов, в частности к конструкции источников электронов и их частей и может быть использовано для генерации рентгеновского и СВЧ-излучения, предыонизации и поддержания разряда в газовых лазерах, модификации поверхностных свойств материалов.

В источниках электронов для генерации таких типов излучений в ряде случаев используются многоострийные взрывоэмиссионные катоды, в которых эмиссия электронов в ускоряющий промежуток осуществляется с поверхности катодной плазмы, образованной в результате происходящих на кончиках катодных острий взрывных процессов при приложении внешнего электрического поля с напряженностью, превышающей пороговое значение. Источники электронов с взрывоэмиссионными катодами имеют ряд достоинств: отсутствие накала; простота конструкции, способность работать в условиях технического вакуума 10^-5 - 10^-4 Торр, очень широкий диапазон плотности эмиссионного тока 10^-1 - 10⁵ А/см², возможность реализации различной геометрии электронного потока, безынерционность включения.

Известен источник импульсного электронного пучка, содержащий катодную подложку, на которой закреплены токостабилизирующие резисторы снабженные остриями, маску с отверстиями в каждом из которых установлен резистор, управляющую сетку, анодный электрод и мишень. (United States Patent №6049162 «Pulsed electron beam source and its use», filed: Apr. 30, 1998. Date of Patent: Apr. 11, 2000).

Преимущества известного источника электронов:

- стабильность разряда в течение всей длительности импульса до 100 μs, что позволяет значительно увеличить срок службы оборудования;

- обеспечивает возможность получения электронного пучка с большим поперечным сечением, что позволяет обрабатывать поверхности материалов площадью до 50 см², на глубину от 5 до 50 μm.

Однако в известном устройстве высокая однородность электронного пучка по всей площади катода не может быть получена вследствие разброса электрических и механических параметров закрепленных на токостабилизирующих резисторах острий, результатом чего является неравномерность тока пучка.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является источник импульсного электронного пучка, содержащий катодную подложку, на которой закреплены токостабилизирующие резисторы, снабженные остриями, маску с отверстиями, в каждом из которых установлен резистор, разрядный электрод, управляющую сетку, анодный электрод и мишень. (Патент РФ №2395866 «Источник импульсных электронных пучков (варианты)», заявлен 11.06.2009, опубл. 27.07.2010).

В известном источнике импульсных электронных пучков, являющимся прототипом изобретения, по сравнению с техническим решением, рассмотренным выше, дополнительно введен разрядный электрод, благодаря наличию которого в пространстве между остриями и разрядным электродом образуется плазма, служащая, в данном случае, источником электронов. Благодаря наличию плазмы, между остриями и разрядным электродом, создаются условия для повышения однородности электронного пучка. Однако, влияние разброса токов с острий на концентрацию плазмы вблизи острий отрицательно сказывается на однородности электронного пучка на всей площади катода. Разброс рабочих параметров острий резисторов приводит к тому, что некоторые резисторы работают в условиях повышенных нагрузок, за счет чего снижается их срок службы и срок службы источника электронных пучков в целом.

Техническим результатом, который может быть получен при осуществлении изобретения, является повышение однородности электронного пучка на поверхности мишени источника импульсных электронных пучков, а также увеличение ресурса работы источника импульсных электронных пучков.

Технический результат достигается благодаря тому, что в источнике импульсного электронного пучка, содержащем многоострийный катод, выполненный в форме катодной подложки, на которой закреплены токостабилизирующие резисторы с остриями, маску с отверстиями для каждого резистора, через которые проходят резисторы с остриями, разрядный электрод, фокусирующий электрод, стабилизирующую сетку, соединенную электрически с фокусирующим электродом, управляющую сетку, анодный электрод и мишень, разрядный электрод выполнен в форме системы одинаковых проводников, равноудаленных друг от друга, токостабилизирующие резисторы, снабженные остриями, установлены вдоль проводников по окружностям с центрами на осях проводников на одинаковом расстоянии друг от друга, катодная подложка и маска выполнены со снабженными изоляторами сквозными отверстиями, в которых установлены проводники разрядного электрода, соединенные с одной стороны с коллекторной шиной, а с другой - с вытягивающими электроны элементами, расположенными над остриями токостабилизирующих резисторов в одной плоскости, перпендикулярной проводникам.

Вытягивающие электроны элементы могут быть выполнены в форме металлических дисков, диаметр которых больше или равен диаметру окружности, на которой расположены острия резисторов.

В другом варианте исполнения вытягивающие электроны элементы выполнены в форме проволок, расположенных над каждым из резисторов, длина которых больше или равна радиусу окружности, на которой расположены острия резисторов.

Целесообразно чтобы изоляторы проводников и резисторы были дополнительно снабжены экранами для защиты от напыления со стороны разрядного электрода.

Предпочтительным исполнением экранов изоляторов и экранов резисторов являются цилиндрические колпачки с отверстиями с возможностью размещения в отверстиях проводников и острий резисторов.

В предлагаемом источнике импульсных электронных пучков, разрядный электрод выполнен в форме системы одинаковых проводников, равноудаленных друг от друга, а токостабилизирующие резисторы с остриями установлены вдоль проводников по окружностям с центрами на осях проводников на одинаковом расстоянии друг от друга, т.е. разрядный промежуток (острия - разрядный электрод) разбит на отдельные ячейки, каждая из которых представляет собой коаксиальную систему, состоящую из центрального проводника, являющегося элементом разрядного электрода и расположенных вокруг него равномерно по окружности резисторов с остриями. Такая конструкция электродной системы источника импульсных электронных пучков практически исключает влияние расположения резисторов с остриями, имеющих различные рабочие параметры, на параметры тока электронного пучка.

Проводники разрядного электрода установлены в сквозных снабженных изоляторами отверстиях в маске и катодной подложке. Кроме того, проводники разрядного электрода соединены с одной стороны с коллекторной шиной, а с другой стороны с вытягивающими электроны элементами, которые расположены над остриями токостабилизирующих резисторов в одной плоскости перпендикулярно проводникам. При таком выполнении разрядного электрода, внутри каждой из ячеек, образующих коаксиальную структуру, обеспечивается выравнивание протекающих через острия токов. Это обусловлено тем, что расположение резисторов с остриями одновременно на одинаковом расстоянии от проводников вытягивающего электрода и друг от друга позволяет формировать равномерное протекание тока от коллекторной шины через проволоки разрядного электрода, вытягивающие электроны элементы, острия и резисторы на катодную подложку. При этом, за счет коаксиальности каждой ячейки, происходит концентрация собственного магнитного поля внутри каждой из ячеек и его экранирование. Такое распределение магнитных полей практически исключает взаимное влияние магнитных полей ячеек друг на друга и препятствует проникновению внешних магнитных полей на каждую отдельную ячейку. За счет этого и удается обеспечить высокую однородность электронного пучка на поверхности мишени источника импульсных электронных пучков.

Однако при такой конструкции вытягивающего электрода, его прозрачность больше, чем в случае использования разрядного электрода в форме сетки (см. патент РФ №2395866), а, следовательно, повышается количество напыляемых на резисторах и изоляторах разрядного электрода испарений с мишени. Для защиты от напыления с мишени, изоляторы проводников и резисторы со стороны вытягивающих электроны элементов дополнительно снабжены экранами. В этом случае влияние напыления с мишени полностью исключается. Таким образом, за счет повышения однородности пучка на поверхности мишени, а следовательно стабильности работы источника электронных пучков при одновременном исключении напыления с мишени на изоляторы проводников и резисторы ресурс работы источника электронов, выполненного в соответствии с изобретением, выше по сравнению с известными источниками электронов.

Изобретение поясняется чертежами.

Фиг. 1 - схема импульсного источника электронных пучков являющегося прототипом.

Фиг. 2 - схема взаимного расположения элементов разрядного электрода и резисторов с остриями выполненного в соответствии с изобретением.

На Фиг. 1 и Фиг. 2 элементы конструкции, которые одновременно включают устройство, являющееся прототипом, и устройство, выполненное в соответствии с изобретением, обозначены одинаковыми номерами.

Источник импульсного электронного пучка содержит катодную подложку 1, на которой закреплены токостабилизирующие резисторы 2, снабженные остриями, маску с отверстиями 3, в каждом из которых установлен резистор, разрядный электрод 4, управляющую сетку 5, анодный электрод 6 и мишень 7. Разрядный электрод в соответствии с изобретением выполнен в форме системы одинаковых проводников 8 равноудаленных друг от друга. Маска и катодная подложка выполнены со снабженными изоляторами 9 сквозными отверстиями 10, в которых установлены проводники разрядного электрода, соединенные с одной стороны с коллекторной шиной 11, а с другой - с вытягивающими электроны элементами 12.

Изоляторы проводников и резисторы дополнительно снабжены экранами 13 и 14 для защиты от напыления со стороны разрядного электрода.

Электродная система, выполненная в соответствии с изобретением, опробована в ускорителе с импульсной мощностью 50 МВт, длительностью импульса от 20 до 50 мкс, предназначенном для модификации поверхностей изделий из жаропрочных сплавов.

В процессе испытания предлагаемого устройства между катодной подложкой 1 и мишенью 7 подавали напряжение 100-130 кВ. На разрядный электрод 4 через коллекторную шину 11 через делитель напряжения подавали напряжение порядка 10 кВ, а на управляющую сетку 40-60 кВ. Напряжение между управляющей сеткой и анодом составляло порядка 80 кВ. При работе предлагаемого источника электронов электроны с катодных острий вытягиваются с помощью вытягивающих электроны элементов 12 с образованием плазмы внутри ячеек коаксиальной системы, благодаря чему снижается влияние внешнего магнитного поля на ток в каждой ячейке, т.е. повышается однородность электронного пучка.

При средней плотности энергии, выделяемой на мишени импульсным электронным пучком, равной 18 Дж/см², разброс плотности энергии по поверхности мишени при использовании известного устройства (см. патент РФ №2395866) составлял ±26%, а при использовании устройства, выполненного в соответствии с изобретением, разброс плотности энергии по поверхности мишени составлял ±9%.

При эксплуатации известного устройства (см. патент РФ №2395866) ресурс катода не превышал 10000 импульсов, а при использовании устройства, выполненного в соответствии с изобретением, катод оставался работоспособным после 20000 импульсов.

Источник импульсного электронного пучка относится к разрядным устройствам и может быть использован для модификации поверхностных свойств материалов. Технический результат - повышение однородности электронного пучка на поверхности мишени. Многоострийный катод источника электронного пучка выполнен в форме катодной подложки с закрепленными на подложке токостабилизирующими резисторами с остриями, которые проходят через отверстия в маске. Источник также содержит разрядный электрод, фокусирующий электрод, стабилизирующую сетку, управляющую сетку, анодный электрод и мишень. Разрядный электрод выполнен в форме системы одинаковых проводников, равноудаленных друг от друга. С одной стороны проводники соединены с коллекторной шиной, а с другой - с вытягивающими электроны элементами. Резисторы с остриями размещены вдоль проводников на одинаковом расстоянии друг от друга по окружностям с центрами на осях проводников. Вытягивающие электроны элементы расположены над резисторами в одной плоскости, перпендикулярно проводникам. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Источник импульсных электронных пучков, содержащий многоострийный катод, выполненный в форме катодной подложки, на которой закреплены токостабилизирующие резисторы с остриями, маску с отверстиями для каждого резистора, через которые проходят резисторы с остриями, разрядный электрод, фокусирующий электрод, стабилизирующую сетку, соединенную электрически с фокусирующим электродом, управляющую сетку, анодный электрод и мишень, отличающийся тем, что разрядный электрод выполнен в форме системы одинаковых проводников, равноудаленных друг от друга, катодная подложка и маска выполнены со снабженными изоляторами сквозными отверстиями, в которых расположены проходящие через катодную подложку проводники, электрически соединенные с одной стороны с коллекторной шиной, а с другой - с расположенными в одной плоскости над резисторами с остриями перпендикулярно проводникам вытягивающими электроны элементами, резисторы с остриями размещены вдоль проводников на одинаковом расстоянии друг от друга по окружностям с центрами на осях проводников.

2. Источник по п. 1, отличающийся тем, что изоляторы проводников и резисторы дополнительно снабжены экранами, установленными со стороны вытягивающих электроны элементов, и выполнены с отверстиями.

3. Источник по п. 1, отличающийся тем, что вытягивающие электроны элементы выполнены в форме металлических дисков, диаметр которых больше или равен диаметру окружности, на которой расположены резисторы с остриями.

4. Источник по п. 1, отличающийся тем, что вытягивающий электроны элемент выполнен в форме проволок, расположенных над каждым из резисторов.

5. Источник по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что экраны выполнены в форме цилиндрических колпачков с отверстиями для проводников.