ЭЛЕКТРОННЫЙ ИНЖЕКТОР Советский патент 1994 года по МПК H05H5/00 H05H7/08 

Изобретение относится к мощной электронике и, в частности, может использоваться в электронных сильноточных ускорителях, применяемых для обработки и облучения материалов, а также для электрофизических исследований.

Целью изобретения является увеличение предельной мощности электронного инжектора за счет специальной конструкции инжектора компенсирующего ионного пучка.

На чертеже приведено схемно-конструктивное решение инжектора.

Устройство содержит термокатод 1, окруженный фокусирующим электродом 2, полый анод 3 и прианодный электрод 4 с цилиндрической вставкой 5. Газоразрядный источник 6 плазмы содержит кольцевой термокатод 7, экранный электрод 8 и внутреннюю тороидальную поверхность 9 полого анода. На конической поверхности анода 10 расположена кольцевая щель 11, являющаяся выходом газоразрядного источника плазмы, ограниченной плазменной поверхностью 12. Электронный пучок 13 формируется между катодом и прианодным электродом и выводится из инжектора через цилиндрическую вставку. На выходе кольцевой щели в прианодном электроде формируется полый осесимметричный ионный пучок 15, который ускоряется в промежутке и равномерно напыляется на эмиттирующую поверхность катода. Выпрямитель питания газоразрядного источника 16, подключенный к сети через регулятор 17, выходами 18 соединен прианодным электродом, который заземлен в точке 19, с корпусом анода и с газоразрядным источником плазмы. Кольцевой термокатод газоразрядного источника и экранный электрод гальванически соединены перемычкой 20. Изоляция и крепеж электродной системы инжектора обеспечиваются с помощью кольцевых керамических изоляторов 21 и 22. Отрицательный полюс высоковольтного источника питания 23, включенного по входу через тиристорный регулятор 24, соединен выводами 25 с катодом, а его положительный полюс 26 - с прианодным электродом. Анод инжектора снабжен патрубком 27 для подачи газа в полость газоразрядного источника плазмы. В теле катода расположены ионные ловушки 28, служащие для нейтрализации и торможения потока ионов.

Электронный инжектор работает следующим образом.

Производится откачка рабочего объема инжектора до уровня 10^-5 - 10^-6тор и с помощью источников питания 16 и 23 включается накал термокатода 1 и кольцевого термокатода 7 газоразрядного источника 6 плазмы. После этого в полость анода 3 через патрубок 27 напускается инертный газ, давление которого варьируется в зависимости от вида разряда, зажигаемого в источнике 6 плазмы.

Регулируя выходные параметры выпрямителя источника 16, обеспечивают устойчивое зажигание дугового или тлеющего разряда в промежутке между термокатодом 7 и внутренней тороидальной поверхностью 9 полого анода 3. Экранный электрод 8 служит для контрагирования плазмы газового разряда, которая в плоскости кольцевой щели 11 образует плазменную поверхность 12, являющуюся источником положительно заряженных ионов. Регулируя величину напряжения между отрицательным полюсом источника 16, подключенным к прианодному конусному электроду 4, и положительным полюсом, соединенным с анодом 3, обеспечивают заданную интенсивность ионного тока, отбираемого с кольцевого плазменного анода. В промежутке между прианодным электродом и термокатодом 1 ионы формируются в полый расходящийся пучок 15, и соответствующий ток замыкается в цепь высоковольтного источника питания 23. В номинальном рабочем режиме в промежутке термокатод 1 - прианодный электрод 4 формируется сходящийся конический пучок 13 электронов с высокой компрессией, который выводится из инжектора через цилиндрическую вставку 5 прианодного электрода, которая может иметь диаметр, существенно меньший диаметра термокатода 1. Ионный пучок 15 вблизи поверхности термокатода 1 повышает потенциал пространства за счет компенсации объемного заряда электронного пучка 13. При этом снимаются ограничения по току, обусловленные собственным объемным зарядом электронов пучка, и характеристическая проводимость промежутка термокатод 1 - прианодный электрод 4 существенно возрастает. Варьируя интенсивность ионного электрода и катода можно формировать электронные пучки с токами, которые в несколько раз превышают ток, определяемый геометрическим первеансом электронно-оптической системы инжектора.

Оптимальным вариантом конструкции термокатода 1 является выполнение его эмиттирующей поверхности в виде сегмента сферы, в которую встроены ионные ловушки, при этом крупногабаритный катод может быть как прямоканальным, так и с электронным разогревом.

Рабочий газ (например, аргон), поступающий через патрубок 27 в газоразрядный источник питания 6, расходуется только на формирование кольцевой плазменной поверхности 12. При этом положительные ионы, извлекаемые в электродной системе и формируемые в полый пучок 15 между электродом 4 и термокатодом 1 тормозятся и нейтрализуются на поверхности термокатода 1. Поэтому вероятность возникновения пучково-плазменного разряда в полости вставки 5 сведена к минимуму, что позволяет увеличивать напряженность электрического поля в ускоряющем промежутке инжектора. Энергия источника 16 расходуется на нагрев кольцевого термокатода 7, а также на возбуждение и поддержание разряда в полости анода 3 и может составлять не более 1% от энергии источника 23 ускоряющего напряжение.

Положительный эффект от применения изобретения обусловлен увеличением предельной мощности инжектора, формирующего интенсивный релявистский пучок электронов с высокой компрессией. Использование тороидального полого анода с конической ограничивающей поверхностью, обращенной в сторону катода, и конического заземленного прианодного электрода позволяет электрически развязать процессы, протекающие в газоразрядном источнике плазмы и в ускоряющем промежутке инжектора, сформировать систему из двух встречно направленных пучков - ионного, ускоряемого в сторону крупногабаритного катода, и электронного, являющегося носителем энергии на выходе инжектора. При этом конусный сходящийся электронный пучок движется внутри полого ионного пучка,а в области, прилегающей к катоду (в частности, сферического типа), происходит частичная нейтрализация объемного заряда электронов. Это позволяет существенно (иногда на порядок) увеличить характеристическую проводимость (первеанс) ускоряющего промежутка. Высоковольтный источник питания используется одновременно как для формирования и ускорения и торможения ионного пучка, так и для формирования и ускорения электронного пучка, нейтрализующего объемный заряд электронов. Прианодный электрод служит экстрактором для плазменного источника ионов, обеспечивая нужную концентрацию частиц с положительным зарядом, а также выполняет функцию анода в ЭОС инжектора. Такое совмещение функций основных элементов инжектора позволяет разрабатывать компактные ускорители электронов большой мощности для технологических установок и электрофизических стендов, в частности для исследования проблем, относящихся к электрокинетическому способу передачи энергии на большие расстояния.

Изобретение относится к мощной электронике. Электронный инжектор содержит термокатод 1, осесимметричный фокусирующий прикатодный электрод (Э) 2, полый анод (ПА) 3 в виде тороидального тела вращения с встроенным осесимметричным источником плазмы с конической ограничивающей поверхностью 10, прианодный Э 4 в форме усеченного конуса с кольцевой щелью 14, на выходе которой формируется полый осесимметричный ионный пучок 15, который ускоряется в промежутке и равномерно напыляется на эмитирующую поверхность катода, и газоразрядный источник (ГРИ) 6 плазмы, включающий кольцевой термокатод 9, экранный Э 8 и внутреннюю тороидальную поверхность 9 ПА 3. Цепь электропитания: высоковольтный источник 23 питания, тиристорный регулятор 24, выпрямитель 16 питания ГРИ 6, регулятор 17. Электронный инжектор имеет увеличенную предельную мощность. 3 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. ЭЛЕКТРОННЫЙ ИНЖЕКТОР, содержащий термокатод, осесимметричный фокусирующий прикатодный электрод, полый анод с прианодным электродом, газоразрядный источник плазмы, встроенный в анод, и высоковольтный источник питания, отрицательный полюс которого соединен с катодом, отличающийся тем, что, с целью увеличения предельной мощности инжектора, анод выполнен в виде тороидального тела вращения с встроенным осесимметричным источником плазмы с конической ограничивающей поверхностью, обращенной в сторону катода, прианодный электрод выполнен в форме усеченного конуса, снабженного кольцевой щелью, симметричный относительно оси системы и расположенной параллельно кольцевой щели, выполненной на конической поверхности анода и являющейся выходом газоразрядного источника плазмы. 2. Инжектор по п.1, отличающийся тем, что газоразрядный источник плазмы выполнен в виде тороидальной триаксиальной электродной системы, содержащей кольцевой термокатод, экранный электрод и внутренний тороидальный полый анод. 3. Инжектор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что положительный полюс высоковольтного источника питания соединен с прианодным электродом, который заземлен. 4. Инжектор по пп.1 - 3, отличающийся тем, что эмиттирующая поверхность термокатода выполнена в виде сегмента сферы, в которую встроены ионные ловушки, а прианодный электрод снабжен цилиндрической вставкой, расположенной на оси симметрии катода.