Плазменный источник электронов Советский патент 1985 года по МПК H01J3/02 

Изобретение относится к газораэряднь м технологическим устройствам, в частности к плазменным источникам электронов, и может быть использовано для обработки материалов в ва- кууме (сварки, плавки и т.д.). Известен плазменный источник электронов, в котором извлечение электронов осуществляется из плазмы дугового контрагированного разряда СО Этот источник обладает низкой электрической прочностью ускорякнцего промежутка и малой экономич ностью извлечения электронов, .т.е. мало отношение тока пучка электроно к разрядному току. Известен также плазменный источник электронов на основе высоковольтного тлеющего разряда с полым катодом Z. Его недостатками являютея сильная зависимость тока пучка от давления в рабочей камере и низк электрическая прочность, обусловлен высокими рабочими давлениями (. ст.). Известен также плазменный источник электронов, -содержащий осесимметрично расположенные катод, анод с осесимметричным отверстием, проме жуточный, управляющий и ускоряющий Г электроды L3 J. Недостатками этого источника являются малая надежность из-за низкой электрической прочност ускоряющего промежутка и малая эко.комичность извлечения-электронов. Низкая электрическая прочность уско рякщего промежутка обусловлена плохим токопрохожденнем через отверсти ускорякяцего электрода., что связано с неравномерностью плотности пдазмы вызванной контрагированием разряда и образованием по этой причине, выпуклой границы плазмы, расфокусирующей электроны. Установка экспандер уменьшает расфо сусировкупучка,но при этом значительная часть злекг) теряется на стенках экспандера, что снижает экономичность извлечения. Цель изобретения - повышение надежности и экономичности плазменног источника электронов. Это достигается тем, что в плазм ном источнике электронов, содержащем осесимметрцчно расположенные катод, анод с осесимметр чивм отверстием, промежуточный, упр-авляиэдий и ускоряющий электроды, управляющий электрод В1 полнен в виде полого цилиндра с входной и выходной торцевыми диафрагмами, в которых выполнены осесимметричные отверстия, отношение диаметров которых заключено в преде - ВЬ/х/ ВУ 2-4, где dg, и dg соответственно диаметры отверстий в выходной и входной диафрагмах, при эт.ом диаметр отверстия во входной диафрагме равен диаметру отверстия в аноде, а размеры полости в управлякщем электроде более чем в 2 раза превышают диаметр отверстия в выходной диафрагме. На чертеже схематично изображен предлагаемый плазменный источник электронов, которьй состоит, из катода 1, промежуточного электрода 2, анода 3, ускоряющего электрода 4, управляющего электрода 5 с входной диафрагмой 6 и выходной диафрагмой 7, Плазменньй источник электронов работает следующим образом. При включении разрядного напряжения, прикладываемого между катодам 1 и анодом 3, в разрядной камере зажигается дуговой разряд между этими электродами через отверстие в промежу гочном электроде 2. С катодной стороны промежуточного электрода возникает двойной электростатический слой, который заставляет часть элект: ронов разрядного тока попадать через отверстия в аноде,3 и во входной диафрагме 6 в полость управляющего эл:.ктрода 5.. Электроны, ускоренные напряжением двойного слоя, ионизируют в полости газ, который, поступает из разрядной камеры, и в полости образуется плазма. Из расходящегося потока электронов лишь незначительная приосевая часть их выходит в сторону ускоряющего электрода, а остальная часть оседает на внутренние стенки полости управляющего электрода. При включении ускоряющего напряжения между электродами 4и 5 электроны, вышедшие из полости управляющего электрода 5 через отверстие в выходной диафр агме 7, ускоряются и формируются в пучок. Равномерная плотность эмиссии электронов способствует формир ованую вогнуто.й границы плазмы, хорошему токопрохожде- нию пучка электронов и увеличению электрической прочности ускоряющего промежутка. Однако ток мал по величине. Повьшгение давления газа в ускоряющем промежутке путем увеличения расхода газа в разрядную .камеру или ускоряющий электрод приводит к появлению плазмы в отверстии ускоряющего электрода за счет ионизации пучком электронов. Образовавшиеся в электрическом поле ускоря.ющего про межутка ионы ускоряются и попадают в полость управляющего электрода. Здесь быстрые ионы перезаряжак)тся.- , образуя медленные ионы, и за счет большого времени их жизни повышают. потенциал плазмы в полости до величины порядка сотен вольт. Повьшение потенциала, приводит, во-первьгх, к увеличению доли электронов, поступающих из разряда в полость из-за перераспределения анодного тока между электродами 3 и 5 и,, во-втог. рых, увеличение энергии электронов, приводит к усилению объемной генерадни-как электронов, так и ионов, а появление вблизи внутренних сТерОК полости управлякяцего электрода 5 электростатического слоя с потенциалом в сотни вольт способствует ускорению электронов, выбитых со. ; стенки- ионами. Эти электроны также принимают участие в генерации новых электронов (физические явления, связанные с перезарядкой и объемной генерацией заряженных частиц, аналогичны процессам, характерным для высоковольтного Тлеющего разряда,с полым катодом) . Медленные электрсэны,. возникающие в. полости за счет объемной ионизации, а также злектроны, поступившие из разряда, но потерявшие часть энергии при взашюдействии с плазмой полости, не могут покинуть эту полость иначе как только через отверстие в выходной диафра ме. Таким образом/достигается увели- чение тока пучка при неизменном разрядном токе, т.е. повышение экономич ности источника. Одновременно достигается повьшзение надежности источника электронов за счет хорошего токопрохождения интенсивного электронов через .отверстие в ускорякщем электроде ; благодаря равномерному распредеяению цлотности тока эмиссии электронов с границы плазмы и устранению расфокусирующего действия и ускорякщем электроде. Отношение диаметров отверстий 2-4 выбирается таким, чтобы обеспечить устойчивый высоковольтный тлекщий разряд между полостью управляющего электрода, и ускоряющим электродом и исключить переход разряда через малое отверстие во входной диафрагме в разрядную камеру. Отклонение от указанного соотношения в большуто сторону, вызывает снижение давления в полости и ухудшает условия зажиганий высоковольтного тлеющего разря ца. Отклонение в меньшую сторону приводит к облегчению зажигания высоковольтного тлекяцего разряда через полость в .разрядную камеру, что приводит к пробою ускоряклцего промежутка, Соотношение ,/d 1 (dg, - диaijeTp отверстия в аноде) выбирается на основании того, что отклонение от него в большую сторону вызывает ухудшение управляюш;их свойств управлякяцего электрода, а отклонение в меньшую сторону снижает ток электрЬг нов, поступагащих из разрядной камеры, что уменьшает ток пучка. Линейные размеры полости должны более,чем в 2 раза превышать диаметр отверстия в вькодной диафрагме, чтобы обеспечить колебания электронов ; в полости и тем самым облегчить зажигание в полость вьюоковольтного тлеющего раз ряда. . Проведенные испытания прототипа . и предлагаемой конетрук.ци показали, что экономичность предлагаемого источника, представляющая собой отношение тока пучка к разрядному току, составила 50%, а дпя прототипа - 33%. Токопрохождение в предлагаемся источнике 99%, тогда как в прототипе т 90%, Таким образом отличительные признаки предлагаемого устройства обеспечивают его более высокую надез ность и экономичность по сравнению с прототипом.

.ПЛАЗМЕННЫЙ ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРОНОВ, содержащий осесимметрично расположенные катод, анод с осесимметричным отверстие, промежуточный, управляющий и ускоряющий электроды, огТ л и ча ющ ий с я тем,.что, с целью повышения надежности и экономичности .источника электронов, управлягаций электрод вьтолнен в виде полого цилиндра с входной и выходной торцевыми диафрагмами, -в которых вы-, полнены осесимметричные отверстия, отношение Диаметров которых заключено в пределах 2-4, где вх соответственно диаметры отверстий в выходной и входной диафрагмах, при этом диаметр отвер-. (Л стия во входной диафрагме равен диаметру отверстия в аноде, а размеры полости в управляющем электроде более чем в 2 раза.превышают диаметр отверстия в выходной диафрагме. .U 00 со ел а