Высоковольтный диод Советский патент 1983 года по МПК H05H5/00 

Устройство относится к сильноточной электронике и может найти применение в ускорительной технике, термоядерных исследованиях, технике генерации СВЧ колебаний, возбуждаемых в волноводе электронньш пучком, и в других областях техники, где используются сильноточные электронные пучки. Известен высоковольтный диод, содержащий вакуумную камеру, проходной высоковольтный изолятор, катодный узел и анод, прозрачный для электронов 1. При этом катодный узел состоит из катодной ножки, в которую вворачивается по резьбе металлический катод. При подаче на диод импульса высокого напряжения от генератора импульсного напряжения на катоде формируется катодная плазма, являющаяся э ииттирующей поверхностью. Этот диод хорошо работает при средней напряженности электрического поля в зазоре между анодом и катодом, равной 400 .кВ/см. Для получения такой напряженности электрического поля необходимо подавать на диод импульсы напряжения амплитутой 500кВ при средних зазорах между анодом и катодом &{ см. Недостаток этого устройства состоит в небольщой длительности импульса тока пучка электронов. Максимальная длительность импульса тока пучка электронов определяется максимальным временем замыкания плазмой промежутка между аНодом и катодом. Скорость движения катодной плазмы, как правило, лежит в интервале (4-8). При этом максимально возможная длительность импульса тока пучка электронов для величины зазора между анодом и катодом 1 см не превыщает 250 не. Известен также высоковольтный диод, содержащий герметичную камеру с,осесимметрично расположенными в ней анодом и катодом, выполненным в виде металлической цодложки с диэлектрической вставкой и вспомогательным электродом 2. В этом устройстве анодом является прозрачная для электронов металлическая фольга из бериллия или металлическая сетка с высоким коэффициентом прозрачности, а на поверхность диэлектрической вставки уложена металлическая сетка. Диэлектрическая проницаемость вставки составляет 2- 10. При подаче импульса напряжения на диод, оно распределяется между двумя конденсаторами С, и С2- Первый конденсатор образован металлической подложкой и металлической сеткой, а второй - металлической сеткой и анодом. Напряжение на первом конденсаторе С определяется по формуле u.,.(1) где и - напряжение на диоде; d, - толщина и диэлектрическая проницаемость диэлектрической вставки; а - зазор между анодом и металлической сеткой. При подборе параметров , U, d, а можно получить напряжение на емкости Сц при котором может развиться незаверщенный разряд по поверхности диэлектрика. Условие зажигания разряда определяется формулойU и„ор,(2) где Un(jp-пороговое напряжение зажигания разряда; L/CI - напряжение на конденсаторе С,. В этом диоде скорость движения катодной плазмы в сторону анода для многих материалов диэлектрической вставки составляет V,(2-8). Следовательно, максимально возможная длительность импульса тока пучка электронов, определяемая по формулеtu,(3) где DO-зазор между анодом и катодом; V, - скорость движения катодной плазМБ1 в сторону анода, при зазоре см не превыщает величины -500 НС. Недостаток этого устройства состоит в небольшой длительности импульса тока пучка электронов. Цель изобретения - увеличение длительности импу.дьса тока пучка электронов. Указанная цель достигается тем, что в высоковольтном диоде, содержащем герметичную камеру с осесимметрично расположенными в ней анодом и катодом, выполненным в виде металлической подложки с диэлектрической вставкой и вспомогательным электродом, последний выполнен в виде размещенного коаксиально с подложкой металлического цилиндра, отношение диаметра которого к диаметру подложки заключено в пределах 0,1+0,03, при этом торцы подложки и вспомогательного электрода лежат в одной плоскости, диэлектрическая вставка выполнена толщиной, удовлетворяющей соотнощению d -eD/20, где D - расстояние между анодом и вспомогательным электродом; е - диэлектрическая проницаемость материала вставки, а обращенная к аноду поверхность диэлектрической вставки покрыта слоем вещества с работой выхода «г ;бЗ эВ. В этой конструкции при подаче импульса высокого напряжения на диод возникает равномерный скользящий разряд между цилиндрическим электродом и краями металлической подложки на поверхности слоя вещества с работой выхода 3 эВ. Этот разряд представляет собой эмиттер электронов, из которого под действием электрического поля производится токоотбор электронов. Скорость движения катодной плазмы в сторону анода в такой конструкции диода уменьшена по сравнению со скоростью в прототипе, что позволяет увеличить время от начала разряда до закорачивания катодной плазмой промежутка между анодом и катодом. Последнее приводит к увеличению максимально возможной длительности импульса тока пучка электронов без увеличения зазора между анодом и катодом. На фиг. 1 схематично показано предлагаемое устройство; на фиг. 2 - зависимости порогового напряжения зажигания разряда по поверхности слоя вещества от диаметра диэлектрической вставки В устройство входят металлическая подложка 1, диэлектрическая вставка 2, слой 3 вещества с работой выходач бЗэВ, цилиндрический вспомогательный электрод 4, анод 5, проходной изолятор 6, вакуумная камера 7. Диод можно рассматривать как систему паразитных емкостей GI, С. Сз конденсаторов.. Конденсатор с емкостью С образован анодом 5 и цилиндрическим электродом 4, конденсатор с емкостью С - обращенными одна к другой торцовыми .поверхностями цилиндрического электрода 4 и металлической подложкой 1, конденсатор с емкостью С, - обращенными одна к другой боковыми поверхностями цилиндрического электрода и металлической подложки. В предлагаемом устройстве емкость Cj мала по сравнению с Са- и ею в расчете амплитуды напряжения можно пренебречь. Емкости Cg и Сз соединены параллельно, поэтому их общая емкость рассчитывается по формуле (4) Емкости €2 и Сд определяются по формулам(5) () гдево.е. -диэлектрическая проницаемость вакуума, диэлектрической вставки 2 и слоя 3 вещества;&, -- площадь и толщина цилиндрического электрода 4; d -толщина диэлектрической вставки 2; T1,/R, -отношение радиусов металлической подложки 1 и цилиндрического электрода.4. При реальных геометрических параметpax диода: 1 1 MM;|l}fRo Ю-30; 2-10; 1; 5 15мм2, и d, удовлетворяющем условию (D - расстояние анод-вставка), .(7) Так, при 2, 10 и D 10мм из условия d получаем величину d, равную 1 и 5 мм соответственно. Подставляя значения d 1мм при € 2 и d 5MM при 10; 1 1мм ; мм2;Рп 10;,1 в формулу отнощения емкостей С з и С а ..(8) С2 estn 4,715 получает при е 2 о,08 и при - 10 0,016. Слой вещества с работой выхода эВ необходим для получения однородного скользящего разряда между торцом цилиндра 4 и краем подложки 1. Эксперименты показали, что можно использовать в качестве материалов этих веществ, например, окись или закись бария, у которых работа выхода f«2 эВ. Этот слой, как следует из урав.нения Фаулера-Нордгейма, позволяет получить требуемое для разряда количество автоэлектронов при относительно небольшой напряженности электрического поля. Устройство работает следующим образом. При подаче импульса напряжения на диод оно распределяется между двумя конденсаторами. Напряжение на конденсаторе с емкостью С может составить несколько киловольт, что достаточно для зажигания скользящего разряда. При напряжении на диоде и 20СГкВ; ё 2мм; О 10мм; 4 получает напряжение на конденсаторе с емкостью . Этого напряжения достаточно для зажигания разряда при диаметре диэлектрической вставки и диаметре цилиндрического электрода 45мм. На фиг. 2 приведены зависимости порогового напряжения зажигания разряда по поверхности слоя вещества с работой выхода чг ЗэВ от диаметра диэлектрической встабки при диаметре цилиндрического электрода 45 мм. При натяжении на конденсаторе с емкостью С удовлетворяющем условию 2 Unop,(9) где -пороговое напряжение зажигания скользящего разряда; - напряжение на диоде; D -зазор между анодом и цилиндрическим электродом; , - диэлектрическая проницаемость и толщина вставки, будет сформирован скользящий разряд. Под действием электрического поля между катодом и анодом ток электронов отводится в сторону анода. Поскольку анод является прозрачным для электронов, пучок проходит квозь него и используется далее. При проведении экспериментов было выявлено, что ля работоспособности такого диода (форирования катодной плазмы и токоотбора) еобходимо выполнить условие dsf,(10) где D - зазор между анодом и цилиндрическим электродом; d,fc- толщина и диэлектрическая проницаемость диэлектрической вставки. Кроме того, необходимо, чтобы диаметр цилиндрического электрода был меньще диаметра диэлектрической вставки в 10-

ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ДИОД, содержащий герметичную камеру с осесимметрично расположенными анодом и катодом, выполненным в виде металлической подложки с диэлектрической вставкой и вспомогательным электродом, отличающийся тем, что, с целью увеличения длительности импульса тока пучка электронов, вспомогательный электрод выполнен в виде размещенного коаксиально с подложкой металлического цилиндра, отнощение диаметра которого к диаметру подложки заключено в пределах 0,1-0,03, при этом торцы подложки и вспомогательного электрода лежат в одной плоскости, диэлектрическая вставка выполнена толщиной, удовлетворяющей соотношению . где D - расстояние между анодом и вспомогательным электродом; f - диэлектрическая проницаемость материала вставки, а обращенная к аноду поверхность диэлеке трической вставки покрыта слоем вещества (Л с работой выхода эВ. 1С ьэ со со СХ)