ВЗРЫВОЭМИССИОННЫЙ КАТОД Советский патент 1995 года по МПК H01J1/30 

Изобретение относится к области сильноточной электроники. Оно может найти применение в электронных приборах ускорительной, лазерной техники, в термоядерных исследованиях.

Известен взрывоэмиссионный катод для электронных устройств, содержащий металлическую подложку и инициатор катодной плазмы, выполненный в виде металлического цилиндра. При этом конструктивно металлическая подложка и цилиндрический электрод могут представлять единую деталь.

Недостаток этого устройства состоит в малой величине длительности импульса тока. Малая величина длительности импульса тока объясняется большой скоростью расширения катодной плазмы в сторону анода. Так при зазоре между анодом и катодом, равном 1 см, и скорости катодной плазмы ≃5˙10⁶ см/с (материал катода медь) максимально возможная длительность импульса тока составляет ≃200 нс.

Известен также взрывоэмиссионный катод, содержащий металлическую подложку с закрепленным на ней инициатором катодной плазмы графитоволоконного типа В этой конструкции инициатор катодной плазмы выполнен в виде отдельных пучков графитовых волокон. С целью уменьшения плотности тока, протекающего через пучки графитовых волокон, эти пучки включены в цепь источника тока через резисторы типа ТВО-2. Максимально возможная длительность импульса тока пучка электронов, полученная в работе составляет ≃100 мкс при плотности электронного тока j ≅10^-1A/см².

Недостаток этого устройства состоит в резком уменьшении длительности импульса тока при увеличении плотности электронного тока до значений j > 10^-1 A/cм². Известно, что с многоострийных взрывоэмиссионных катодов можно снимать токи микросекундной длительности при плотности тока j≥10^-1 A/см². Для получения такой плотности тока ставят токоограничивающие сопротивления перед пучками графитовых волокон. Однако при переходе к плотности тока j 100-1000 А/см²длительность импульса тока резко сокращается из-за увеличения скорости расширения катодной плазмы в сторону анода. Максимально возможная длительность импульса тока пучка электронов определяется временем закорачивания промежутка между анодом и катодом катодной плазмой. При скорости движения катодной плазмы в сторону анода ≃3˙10⁶ см/с и зазоре между анодом и катодом ≃1 см максимально возможная длительность импульса тока пучка электронов составляет ≃300 нс. При этом величина плотности электронного тока лежит в интервале ≃100-1000 А/см², что позволяет при соответствующем напряжении на диоде формировать электронные пучки килоамперного диапазона.

Целью изобретения является увеличение длительности импульса и плотности тока электронного пучка.

Указанная цель достигается тем, что во взрывоэмиссионном катоде, содержащем металлическую подложку с закрепленным на ней инициатором катодной плазмы графитоволоконного типа, инициатор катодной плазмы выполнен в виде слоев графитовой ткани, разделенных ферромагнитной прокладкой, при этом толщина ткани и прокладки удовлетворяют напряжению:
0,1≅ h/a ≅ 4, где a толщина графитовой ткани;
h толщина ферромагнитной прокладки.

На чертеже изображен предлагаемый катод.

Катод содержит металлическую подложку 1 с закрепленным на ней инициатором катодной плазмы, выполненным из графитовой ткани, слои 2 которой отделены друг от друга ферромагнитной прокладкой 3. В различных вариантах конструкции ткань и прокладка могут быть свернуты в спираль, набраны в виде стопки чередующихся отрезков ткани и прокладки и т.п.

Предложенный катод со взрывной эмиссией работает следующим образом. При подаче импульса напряжения на катод на остриях волокон графитовой ткани концентрируется электрическое поле, которое достаточно для возникновения катодной плазмы за счет взрывных эффектов. Катодная плазма расширяется в сторону анода с некоторой скоростью, которая при плотности тока j100-1000 А/см² составляет ≃5˙10⁶ см/с без ферромагнитной прокладки. Наличие ферромагнитной прокладки резко сокращает скорость V катодной плазмы в сторону анода. Уменьшение скорости V можно качественно объяснить притяжением токов в плазме и токов изображения в ферромагнетике.

Как показывают проведенные измерения при помощи осциллографического метода, значение скорости V для целого ряда ферромагнетиков составляет V≈10²-10³ см/с. Это позволяет при среднем зазоре между анодом и катодом в 1 см получать электронные токи длительностью 1-10 мс при средних плотностях тока электронов j 100-1000 А/см².

Опытные образцы катодов содержали металлическую подложку, в которую вворачивался металлический стержень с инициатором катодной плазмы, который был выполнен из графитовой ткани с проложенной магнитной лентой типа 7. При этом инициатор катодной плазмы сворачивался в спираль. При использовании ферромагнитных прокладок из ферритов типа 200 НН и 300 НН инициатор катодной плазмы собирался в виде последовательного набора отрезков графитовой ткани, которые разделялись ферромагнитными пластинками.

Проведенные эксперименты показали, что для создания однородной катодной плазмы и уменьшения скорости плазмы V важную роль играет соотношение между толщинами ферромагнитной прокладки и графитовой ткани.

При толщине ферромагнитной прокладки h, большей 4а (где а толщина графитовой ткани), катодная плазма неоднородна по своему сечению и величина электронного тока уменьшается за счет уменьшения площади плазменного эмиттера. При h < 0,1а скорость катодной плазмы увеличивается и составляет V≈10⁵ см/с, что приводит к уменьшению длительности импульса тока пучка электронов.

Таким образом, предложенный катод со взрывной эмиссией позволяет одновременно увеличить длительность импульса тока электронов и плотность электронного тока. Эксперименты, проведенные при напряжении на диоде ≃100 кВ, показали, что при плотности электронного тока j≃1000 А/см²получен электронный пучок длительностью ≃10 мс, что примерно в 100 раз больше, чем в прототипе.

ВЗРЫВОЭМИССИОННЫЙ КАТОД, содержащий металлическую подложку с закрепленным на ней инициатором катодной плазмы графитоволоконного типа, отличающийся тем, что, с целью увеличения длительности импульса и плотности тока электронного пучка, инициатор катодной плазмы выполнен в виде слоев графитовой ткани, разделенных ферромагнитной прокладкой, при этом толщина ткани и прокладки удовлетворяют выражению
0,1 ≅ h/a ≅ 4,
где h толщина ферромагнитной прокладки,
a толщина графитовой ткани.