Плазменный источник электронов с системой автоматического поджига тлеющего разряда в полом катоде, функционирующий в среднем вакууме Российский патент 2024 года по МПК H05H1/24 

Изобретение относится к технике получения стационарных (непрерывных) узкосфокусированных пучков электронов в диапазоне давлений среднего вакуума и может быть применено при разработке электронно-лучевых устройств, а также использовано в электроннолучевой технологии, экспериментальной физике, плазмохимической технологии.

Известны устройства, предназначенные для генерации электронных пучков путем эмиссии электронов из газоразрядной плазмы [1-2]. Разрядная плазма создается в них при инициировании разряда в газе. Для поддержания разряда между электродами разрядной системы поддерживается напряжение горения. Плазменная эмиссионная граница создается в пределах отверстия, выполняемого в одном из электродов разрядной системы. В электронном источнике с плазменным катодом [2], 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. Данный источник электронов создает 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 источника обеспечивается перепадом давления в эмиссионном отверстии за счет напуска газа в катодную полость. Недостатком данного устройства является невозможность работы при более высоких давлениях газа. При повышении давления до уровня 1 Па и более указанный источник оказывается неработоспособным из-за возникновения низковольтного разряда между электродами ускоряющего промежутка. Этот разряд вызывает резкое падение напряжения и рост тока нагрузки выпрямителя, питающего ускоряющий промежуток. Указанные эффекты сопровождаются исчезновением пучка.

Процесс инициирования тлеющего разряда в газоразрядном плазменном катоде описан в [3]. Электродная система плазменного катода содержит цилиндрический полый катод с выходной апертурой в форме щели, поджигающий электрод, полый анод и управляющую сетку. Плазменный эмиттер работает следующим образом. После приложения между катодом, поджигающим электродом и анодом напряжения и подачи в катодную полость газа зажигается тлеющий разряд. Использование коаксиальной электродной системы с полым катодом и нитевым поджигающим электродом обеспечивает зажигание разряда при низких давлениях. При подаче напряжения между управляющей сеткой и коллектором пучка осуществляется извлечение электронов и формирование электронного пучка. Недостатком данного устройства является невозможность работы при давлениях среднего вакуума. При повышении давления до уровня 1 Па и более указанный источник оказывается неработоспособным из-за возникновения низковольтного разряда между управляющей сеткой и анодом источника.

Известен плазменный электронный источник [4], содержащий соосные полый катод, анод, ускоряющий электрод, диск из термостойкого неорганического диэлектрика. Эмиссионное отверстие в источнике устанавливают в центре анода и оставляют его не перекрытым диэлектриком, а вокруг эмиссионного отверстия в аноде выполняют окна, перекрытые сеткой с размером ячейки, меньшим радиуса эмиссионного отверстия. Инициирование разряда в полом катоде осуществляется за счет обратного ионного потока, проникающего из ускоряющего промежутка через окна в аноде в разрядную область. Малый 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 облегчить инициирование разряда в полом катоде и формировать электронный пучок с диаметром в фокальной плоскости не превышающим 1 мм. Недостаток данного технического решения в низком сроке службы сеток перекрывающих окна, расположенные вокруг эмиссионного отверстия в аноде. При формировании электронного пучка в условиях среднего вакуума за счет обратного ионного потока сетки испытывают значительный нагрев и могут разрушаться, что вызывает повышение электронной эмиссии через эти окна и изменение профиля электронного пучка в фокальной плоскости за счет дополнительного потока электронов из окна с разрушенной сеткой.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является плазменный электронный источник [5], содержащий полый катод, анод и ускоряющий электрод, размещенные соосно на керамических изоляторах, один из которых укреплен на фланце. Эмиссионное отверстие в аноде перекрыто мелкоструктурной металлической сеткой. Между анодом и экстрактором установлен керамический диск с отверстием. Указанный источник позволяет получать в форвакууме электронные пучки в отсутствие напуска газа в катодную полость. Инициирование разряда осуществляется за счет обратного ионного потока из ускоряющего промежутка в разрядную область. Существование ионного потока обусловлено слаботочным высоковольтным тлеющим разрядом, имеющим место при подаче напряжения на ускоряющий промежуток в области давлений, соответствующих среднему вакууму.

Техническим результатом заявляемого изобретения является обеспечение инициирования и поддержания стабильного горения тлеющего разряда в плазменном источнике сфокусированного электронного пучка, функционирующего в среднем вакууме, за счет дополнительно установленного поджигающего электрода, оснащенного системой электропитания с обратной связью.

Технический результат достигается тем, что в плазменном источнике непрерывного сфокусированного электронного пучка, основанного на эмиссии электронов из плазмы тлеющего разряда с полым катодом и функционирующего в среднем вакууме, содержащем полый катод, анод и ускоряющий электрод, размещенные соосно на высоковольтных керамических изоляторах, в торце полого катода устанавливают поджигающий электрод в виде изолированного керамической трубкой металлического стержня, предназначенный для инициирования тлеющего разряда с полым катодом путем подачи на поджигающий электрод импульса напряжения системой электропитания с обратной связью, сопровождаемый зажиганием вспомогательного дугового разряда по поверхности диэлектрика, создающего плотную плазму в катодной полости, способствующую установлению горения непрерывного тлеющего разряда с полым катодом по истечении поджигающего импульса.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежом фиг. 1 где, 1 - полый катод, 2 - плоский анод, 3 - экстрактор, 4 - керамический диск с отверстием, 5 - поджигающий электрод, 6- керамическая трубка, 7 - система электропитания с обратной связью, 8 -высоковольтные керамические изоляторы

Схема плазменного источника электронов с системой автоматического поджига тлеющего разряда в полом катоде представлена на фиг. 1. Форвакуумный плазменный источник электронов представляет собой трехэлектродную электроразрядную систему: полый катод 1, плоский анод 2 и экстрактор 3, установленные на высоковольтных керамических изоляторах 7. Все электроды изготовлены из нержавеющей стали. Катод 1 содержит цилиндрическую полость диаметром 25 мм и высотой 70 мм. Анод 2 представляет собой диск толщиной 2 мм с одиночным отверстием 1 мм. Керамический диск с отверстием 4 для прохождения пучка размещен между анодом 2 и ускоряющим электродом 3. Полый катод 1 и плоский анод 2 составляют разрядную систему электронного источника.

Новым элементом по сравнению с прототипом является поджигающий электрод 5, расположенный в торце полого катода 1, изолированный керамической трубкой 6 от полого катода 1, и подключенный к системе электропитания с обратной связью 7, обеспечивающей при погасании основного тлеющего разряда в полом катоде автоматическую подачу высоковольтного импульса напряжения на поджигающий электрод 5.

Электропитание плазменного электронного источника осуществляется от источников постоянного напряжения U_d и U_a, подключаемых к разрядному и ускоряющему промежутку соответственно. Для зажигания основного тлеющего разряда между полым катодом 1 и анодом 2 на поджигающий электрод 5 относительно полого катода 1 от системы электропитания с обратной связью 7 подается импульс напряжения U_ign амплитудой 10 кВ и длительностью 150 мс, что обеспечивает зажигание вспомогательного дугового разряда по поверхности диэлектрика (керамической трубки 6) между катодом 1 и поджигающим электродом 5. Образующаяся в результате горения вспомогательного дугового разряда по поверхности диэлектрика плазма в катодной полости способствует дальнейшему переключению вспомогательного дугового разряда по поверхности диэлектрика по истечении импульса напряжения с поджигающего электрода 5 на анод 2 и установлению стационарного тлеющего разряда с полым катодом и генерации эмиссионной плазмы. Формирование электронного пучка происходит в промежутке между анодом 2 и ускоряющим электродом 3 при приложении ускоряющего напряжения в диапазоне 1-20 кВ. Давление рабочего газа в полом катоде и ускоряющем промежутке источника составляет 5-30 Па. При погасании основного тлеющего разряда с полым катодом и, соответствующем повышении напряжения на промежутке анод - катод выше 1000 В, система электропитания с обратной связью 7 автоматически подает импульс напряжения на поджигающий электрод 5, тем самым возобновляя горение основного тлеющего разряда с полым катодом.

В таблице 1 представлены результаты реализации предлагаемого технического решения в сравнении с прототипом. Время непрерывной работы отсчитывалось от момента включения электронного источника и до погасания разряда. Всего на каждый режим работы было проведено по пять включений источника. При указании значений непрерывной работы «более…» время непрерывной работы источника превышало все требуемое время выполнения процесса в указанном режиме.

Таблица 1. Сравнение с прототипом

№ Режим работы источника электронов Среднее время непрерывной работы Прототип Предлагаемое решение 1 Испарение алюмооксидной керамики, атмосфера кислорода, давление 15 Па 30 минут более 1,5 часов 2 Пучково-плазменная обработка полимеров, атмосфера аргон, давление 10 Па 40 минуты более 1 часа 3 Электронно-лучевая обработка ферритов, атмосфера гелий, давление 30 Па 35 минут более 1,5 часов 4 Сварка металлокерамических узлов, остаточная атмосфера, давление 12 Па 35 минуты более 1,5 часов

Как следует из таблицы 1, среднее время непрерывной работы источника, взятого за прототип, в зависимости от режима работы не превышает 40 минут. В то же время среднее время непрерывной работы предлагаемого изобретения превышает время проведения процесса при различных режимах работы источника.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет достичь цели изобретения, а именно - обеспечение инициирования и поддержания стабильного горения разряда в источнике сфокусированного электронного пучка, функционирующего в среднем вакууме.

Литература

[1] а/с СССР №1140641.

[2] а/с СССР №291652.

[3] патент России №2250577.

[4] патент России №2306683.

[5] патент России №2215383.

Изобретение относится к технике получения стационарных (непрерывных) узкосфокусированных пучков электронов в диапазоне давлений среднего вакуума и может быть применено при разработке электронно-лучевых устройств, а также использовано в электронно-лучевой технологии, экспериментальной физике, плазмохимической технологии. Технический результат - обеспечение инициирования и поддержания стабильного горения тлеющего разряда в источнике сфокусированного электронного пучка, функционирующего в среднем вакууме, за счет дополнительно установленного поджигающего электрода, оснащенного системой электропитания с обратной связью. В плазменном источнике, содержащем полый катод, анод и ускоряющий электрод, размещенные соосно на высоковольтных керамических изоляторах, в торце полого катода устанавливают поджигающий электрод, выполненный в виде изолированного металлического стержня, обеспечивающий инициирование и поддержание стабильного горения тлеющего разряда в полом катоде при его самопроизвольном погасании путем подачи поджигающего импульса системой электропитания с обратной связью. 1 ил.

Плазменный источник непрерывного сфокусированного электронного пучка, основанный на эмиссии электронов из плазмы тлеющего разряда с полым катодом и функционирующий в среднем вакууме, содержащий полый катод, анод и ускоряющий электрод, размещенные соосно на высоковольтных керамических изоляторах, отличающийся тем, что в торце полого катода установлен поджигающий электрод в виде изолированного металлического стержня, предназначенный для инициирования тлеющего разряда с полым катодом вспомогательным дуговым разрядом между катодом и поджигающим электродом.