ВЗРЫВОЭМИССИОННЫЙ ДИОД Советский патент 1995 года по МПК H01J1/30 

Изобретение относится к сильноточной электронике. Оно может быть использовано в электронных приборах, в ускорительной технике, термоядерных исследованиях.

Цель изобретения увеличение тока формируемого диодом пучка электронов за счет повышения однородности катодной плазмы с помощью контролируемой подачи газа к рабочей поверхности катода перед включением высокого напряжения в межэлектродном промежутке диода.

На фиг. 1 схематически показан предлагаемый диод, разрез; на фиг. 2 полученная экспериментально зависимость расстояния между катодом и анодом диода D от диаметра отверстии d в перегородке, через которую подавался газ к рабочей поверхности катода при напряжении на диоде U 100 кВ, 200 кВ и 300 кВ (кривые 1, 2 и 3 соответственно); на фиг. 3 вольтанкирные характеристики предложенного диода (кривая 1) и прототипа (кривая 2).

Предложенный анод (фиг. 1) содержит вакуумную камеру 1 с размещенными в ней анодом 2 и многоострийным катодом, выполненным в виде металлической подложки 3, вакуумно плотно закрепленной в проходном изоляторе 4. В подложке 3 со стороны, обращенной к аноду 2, выполнена полость 5, заполненная газовыделяющим веществом (условно показано штриховкой), закрытая проницаемой для газа перегородкой 6, выполненной из прессованного металлического порошка, так что поверхность перегородки 6, обращенная к аноду 2, является поверхностью многоострийного катода (роль острий играют неровности этой поверхности (не показаны).

При этом диаметр отверстий в перегородке 6 и расстояние между катодом и анодом выбраны из соотношения
D≅10^-3(6+4˙10^-3U-2˙10⁵d), где D расстояние между катодом и анодом, м;
U напряжение между катодом и анодом, В;
d диаметр отверстий в перегородке, м.

Анод 2 может быть как фольговым, как и сетчатым. Давление остаточного газа в камере 1, как правило составляет величину р≈10^-1 Па.

Устройство работает следующим образом.

При подаче на диод импульса напряжения на катоде формируется катодная плазма. Процесс формирования катодной плазмы описывается следующим образом. Вначале на естественных остриях металлической перегородки формируются катодные факелы за счет перегрева их автоэлектронным током. Затем происходит спонтанное их размножение, благодаря равномерному распределению острий и равномерному поступлению газа через металлическую перегородку 6.

Введение в металлическую подложку катода полости, заполненной веществом, которое выделяет газ через металлическую перегородку, позволяет создать облегченные условия для формирования однородной катодной плазмы. Это достигается следующим образом.

Металлическая перегородка, благодаря своей структуре (спрессованный порошок), представляет многоострийный катод. Автоэлектроны, эмиттированные с острий, ионизуют газ, поступающий из газовыделяющего вещества. Тем самым образуется затравочная плазма, которая является эмиттером электронов. Острия образуются из-за технологических процессов прессования или спекания металлического порошка при изготовлении металлической перегородки 6. Микроскопические измерения показали, что средний диаметр острий составляет 8-20 мкм и что структура расположения острий довольно равномерна по поверхности перегородки 6. Небольшие добавки газа создают некоторый градиент давления у границы поверхности металлической перегородки 6.

Эксперименты показали, что устройство устойчиво работает в частотном режиме при напряжениях на диоде 100-300 кВ.

При невыполнении неравенства характер катодной плазмы носит ярко выраженную факельную структуру, которая приводит к падению тока пучка электронов. Экспериментально установлено, что сорт газа несущественно влияет на формирование однородной катодной плазмы и проявляется во влиянии на время задержки тока пучка относительно импульса напряжения на диоде.

Экспериментальный образец предложенного диода работал в диапазоне частот f 0,5-25 Гц. Однородность плазмы определялась качественно (фотографированием) и количественно измерением распределения плотности тока пучка электронов с помощью секционированного цилиндра Фарадея. Экспериментальная зависимость расстояния между анодом и катодом от диаметра отверстий в перегородке (см. фиг. 3) хорошо апроксимируется прямой линией.

Уравнение такой прямой дает связь между величинами D, d и U, приведенную выше, в виде неравенства.

Автором были изготовлены опытные образцы катодных узлов и проведены предварительные эксперименты по исследованию и оптимизации диода. Катод состоял из металлической подложки из нержавеющей стали 1х12Н9Т диаметром 2 см, в которой делалась полость и засыпалось газовыделяющее вещество (цеолит, активированный уголь). Полость закрывалась проницаемой для газа металлической перегородкой, спрессованной из порошка нержавеющей стали. Проведенные эксперименты показали, что в предложенном диоде токоотбор электронов увеличивается в 2-5 раз (см. фиг. 3).

Таким образом, предложенное решение позволяет существенно повысить ток взрывоэмиссионного диода.

ВЗРЫВОЭМИССИОННЫЙ ДИОД, содержащий вакуумную камеру с размещенными в ней анодом, многоострийным катодом, выполненным в виде металлической подложки, закрепленной в проходном изоляторе, и металлической пластины с остриями, закрепленной на обращенной к аноду поверхности подложки, отличающийся тем, что, с целью повышения тока пучка электронов, в подложке со стороны, обращенной к аноду, выполнена полость, заполненная газовыделяющим веществом, а пластина с остриями выполнена в виде проницаемой для газа перегородки из прессованного металлического порошка, при этом диаметр отверстий в перегородке и расстояние между катодом и анодом выбраны из выражения
D ≅ 10^-3 (6 + 4 · 10^-5 U 2 · 10d),
где D расстояние между катодом и анодом, м;
U напряжение между катодом и анодом, В;
d диаметр отверстий в перегородке, м.