Электронная пушка Советский патент 1985 года по МПК H01J13/02 

Изобретение касается электронны пушек, в частности электронных пушек, обеспечивающих вывод электрон ного потока из вакуумной области в газовую среду, и предназначено для целей квантовой электроники. Изобретение мсжет быть также использовано в плазмохимии, для создания мощных коммутаторов в электронной литографии, для технологичес ких задач: сушки изделий при комнат ной температуре за счет поглощения энергии в тонком поверхностном слое обработки полиэтилена и эпоксидных смол, стерилизации продуктов в пищевой промышленности и материалов в медицине. Основным назначением предлагаемой электронной пушки является возбуждение лазеров с помощью э.лектронного потока, выходящего из вакуумной области формирования через прозрачное для электронов окно в лазерную кювету. Дляпреционизации активной среды в электроионизационных; лазерах используют блок электронных пушек . (модулей) вместо одной электронной пушки, что особенно целесообразно при создании широких пучков электронов с апертурой 1 м и более, кот рые необходимы для мощных и сверхмо ных лазеров. Известны конструкции электронных пушей для лазеров, на выходе из окн которых создается широкий электронный поток прямоугольного сечения с равномерным распределением электронов, по плотности lj . Катодные узлы таких пушек, как правило, составлены из множества отдельных катодов, об:ъединенных в общей вакуумной камере. Недостатком таких конструкций яв ляются ограниченные размеры попереч ного сечения электронного потока. Известна электронная пушка, формирующая электронный поток прямоугол ной формы , содержащая по крайней м1ере одну электронно-оптическую систему, состоящую из катодного узл и по крайней мере одного формирующе электрода, анод и прозрачное для электронов окно-мишень прямоугольной формы Щ . Электроны, эмиттируемые каждой электронно-оптической системой, дви жутся к выходному окну по параллельным траекториям, и электронный поток в промежутке между катодом и анодом не расширяется. Таким образом, проекция пучка электронов на выходном окне в такой пушке соответствует размерам катодного узла. Расстояния от границ пучка до стенок корпуса в плоскости выходного схна определены требованиями электрической прочности и при высоких рабочих напряжениях пушки (выше 200 кВ) составляет не менее 40-50 мм. Следовательно, большая поверхность между границами пучка и стенками прибора не облучается электронами, что является препятствием для использования указанной пушки в блочной конструкции. Электронный поток, создаваемьй несколькими такими пушками, плотно пристав.ленными одна к другой, имеет большие разрывы, что является весьма критичным для лазерной генерации. Недостатком этой пушки является также очень сложная конструкция, которая составлена 80 катодами и несколькими стенками (управляющей, фо-,1 кусирующей, экранной), причем первая управляющая сетка имеет полуцилиндрическую форму и устанавливается соосно с катодом, а другие располагаются либо в промежутках между катодами, либо между катодами и выходным окном. Последние имеют длину до 1 м и в динамическом режиме провисают, что приводит к искажению траекторий электронов. К стенкам приложены напряжения от дополнительных источников питания, которые должны иметь повьш1енную стабильность. Подвод питания и сборка всех элементов конструкции, которая должна быть проведена с высокой точностью, требуют специальных приспособлений и довольно трудоемки. Недостатком описанной электродной пушки является также низкая электрическая прочность промежутка между катодом и -выходным окном (анодом) в вакууме, обусловленная небольшой длиной промежутка, большой площадью электродов и их конфигураций. Возникающие пробои недопустимы, так как они нарушают режим работы, лазера, и, кроме того, способны вывести пушку из строя из-за разрушения тонкой фольги выходного окна. Расстояние между катодом и выходным окном в такой пушке ограничено условиями фокусировки параллельных потоков от каждо го отдельного катода. Целью изобретения является увеличение поперечного сечения луча в области окна-мишени за счет форми рования расходящегося электронного потока, упрощение конструкции и уве личение электр ической прочности системы. Цель достигается тем, что в элек ронной пушке, формирующей электронньй поток прямоугольной формы, соде жащей по крайней мере одну электрон оптическую систему, состоящую из ка тодного узла и по крайней мере одно го формирующего электрода, анод и прозрачное для электронов окнр-мише прямоугольной формы, каждая электро но-оптическая система содержит один формируюпщй электрод, выполненньй в виде цилиндра с круглым отверстие соосным катодному узлу, катодный узел состоит из цилиндрического катода, на плоской торцовой эмиттирукнцей поверхности которого распело жена теневая маска, выполненная в форме симмметричного восьмиугольника, вершины которого совпадают с ве шинами двух квадратов, вписанных в концентрические окружности разньк радиусов. В частности, пушка может I содержать по крайней мере две элект ронно-оптические системы, расстоя-ние между осями которых равно сторо не прямоугольника окна-мишени. На фиг. 1-4 изображена предложен ная пушка, различные сечения; на фиг. 5-8. представлены результаты численных расчетов при различных фор.мах маски катода; на фиг. 6, 8 поперечные сечения электронного потока в плоскости мишени с различными формами маски на катоде, где обозначены цилиндрический катод 1, . теневая маска 2, фокусирукиций электрод 3, корпус 4 и окно-мишень 5 Прямоугольньй корпус 4 квадратного сечения служит одновременно анодом. Стенка корпуса, расположённая напротив катода 1, содержит про зрачное для элек.тронов . окно-мишень 5 квадратной формы. На эмиттирующую поверхность катода 1 нанесена теневая 2, имеющая форму восьмиугойьника. Оптимальность предложенной формы теневой маски подтверждена численными расчетами на ЭВМ, которые приведены на фиг. 5-8. Различным формам маски 6,7,8,9 на катоде соответствуют поперечные сечения потока 10, 11, 12, 13 в плоскости мишени. Квадратное поперечное сечение электронного потока на мишени обеспечивается маской 7 в форме восьмиугольника, вершины которого совпадают с вершинами двух квадратов, вписанньк в концентрические окружности различного радиуса и смещенных друг относительно друга на 45°. В частном случае, для конкретной электронной пушки (при заданных расстоянии катод-мишень L, радиусе катода R| и размере мишени Х)соотношение радиусов концентрических окружностей ) составляет 0,84. Предлагаемая электронная пушка формирует расходящийся электронньй поток с квадратным поперечным сечением в плоскости выходного окна, равным квадратному выходу окну. При этом прозрачное для электронов окно занимает почти всю площадь стенки прямоугольного корпуса, противолежащей катоду, за исключением тонких буртиков, предназначенных для сварки окна с корпусом. Такая конструкция допускает одновременную работу нескольких приборов, скомпанованньк в блоки, что является одним из основных преимуществ по сравнению с известными конструкциями. Поток электронов, создаваемый блоком таких пушек, не имеет разрывов вследствие его расходимости, обеспечивая возбуждение однородного разряда в лазерной камере. Пушка имеет очень простую и надежную конструкцию с одним катодом и формирующим электродом, которые находятся на одной оси с.центром мишени. Сборка, откачка электронной пушки не требуют сложных приспособлений и осуществляется иа стандартном оборудовании. Достоинство пушки состоит также в том, что при такой конструкции разеры высоковольтных промежутков не меют строгих ограничений и могут ыть созданы запасы по электрической рочности, что является условием, надежной работы прибора. Питание ушки осуществляется от одного источfiHKa и не требует дополнительных. Модификацией описанного прибора впяется электронная пушка, которая одержит два цилиндрических датода

е формируютдам электродом, объединенных в общем прямоугольном корпусе. Расстояние мелсду центрами катодов равняется размеру квадратноймишениj что .обеспечивает однородность электpofRHoro потока на выходе из окна.

Таким o6pa3OMj предложенная электронная пушка простой и надежной конструкции создает расходящийся электронный поток прямоуг хпьной , ччо допускает компановку приборов в блоки. Компануя электронные пушки предложенной конструкции различным образом можно создавать электронные потоки необходимой формы и площади поперечного сечения без проведения специальной разработки электронных пушек в каждом отдельном случае.

1. ЭЛЕКТРОННАЯ ПУШКА, формирующая электронный поток прямоугольной формы, содержащая по крайней мере одну электронно-оптическую систему, состоящую из катодного узла и по крайней мере одного формирующего электрода, анод и прозрачное для электронов окно-мишень прямоугольной формы, отличающаяся тем, что, с целью -увеличения поперечного сечения луча в области ок-на-мишени за счет формирования расходящегося электронного потока, упрощения .кой- струкции и. увеличения эпекТр зч ской . прочности, каждая электронно-оптическая система содержит один фор1чИрующий электрод, выполненньй 9 виде . циливдра с круглым отверстием, соосным катодному узлу, катодный ,узел состоит из даливдричеекого катода, на плоской торцоврй эмиттирующей поверхности которого располсясена теневая маска, вьшопнённая в форме симметричного восьмиугольника, вершины которого совладают с вершинами двух квадратов вписанньк в концентрические окружнрсти разных радиусов. 2. Электронная пушка по п.1, о т(Л л и ч а ю щ а.я с я тем, что она содержит по крайней, мере две электронно-оптические системы,расстояние . между осями которых равно: стороне ; прямоугольника окна-мишени, ,

фиг. 2 фие.З Фие. Фиг.7 фиг. в