ВЗРЫВОЭМИССИОННЫЙ ДИОД Советский патент 1995 года по МПК H01J1/30 H05H5/00 

Описание патента на изобретение SU1438511A1

Изобретение относится к области сильноточной электроники и ускорительной техники и может найти применение в инжекторах сильноточных электронных ускорителей, плазменной электронике, технике СВЧ, термоядерных исследованиях, в источниках мощного γ-излучения.

Целью изобретения является увеличение мощности диода за счет увеличения эффективной площади поперечно однородного электронного пучка.

В взрывоэмиссионный диод, состоящий из вакуумной камеры, высоковольтного проходного изолятора, катодной ножки со взрывоэмиссионным катодом и анода, при этом взрывоэмиссионный катод содержит металлическую подложку и многоострийный инициатор катодной плазмы, в катоде между металлической подложкой и многоострийным инициатором катодной плазмы введена диэлектрическая вставка, металлизированная с двух сторон (например, фольгированный двухсторонний стеклотекстолит, фторопласт), с контактными площадками на стороне, обращенной в сторону анода, при этом каждый острийный инициатор катодной плазмы электрически присоединен к отдельной контактной площадке, а расстояние между анодом и катодом D должно удовлетворять условию:
D≥ где К коэффициент усиления электрического поля на инициаторах катодной плазмы;
U напряжение на диоде, В;
d толщина диэлектрической вставки, м;
Eпр электрическая прочность диэлектрической вставки, В/м;
Епор пороговая напряженность электрического поля на инициаторе катодной плазмы для формирования взрывной катодной плазмы, В/м;
ε диэлектрическая проницаемость диэлектрической вставки.

Для устранения многофакельной структуры катодной плазмы с целью повышения эффективности площади поперечнооднородного электронного пучка необходимо равномерно распределить энерговыделение в катодные факелы и равномерно распределить напряженность электрического поля между острийными эмиттерами и анодом. Техническое решение катодного узла позволяет его рассматривать как плоский конденсатор, образованный контактными площадками с одной стороны и металлизированным слоем диэлектрика с другой. Это приводит к тому, что ток разряда (катодной плазмы) и ток эмиссии шунтируются током смещения через параллельно соединенные таким образом конденсаторы. Число конденсаторов соответствует числу эмиттеров. В результате происходит равномерное выделение энергии в каждый катодный факел, равномерно формируется напряженность электрического поля в диодном промежутке, что устраняет эффект экранировки электрического поля в районе первичного катодного факела. Таким образом, принципиально решена задача формирования однородных электронных пучков в диодах со взрывоэмиссионными катодами.

Для формирования катодной плазмы необходимо, чтобы напряженность электрического поля Е на эмиттерах превышала пороговое значение Епор
E ≥ Eпор (1) где К коэффициент усиления электрического поля, обусловленный геометрией эмиттеров;
Uэ напряжение между эмиттерами и анодом;
D расстояние между анодом и эмиттерами.

Напряжение Uэ определим по формуле:
Uэ (2) где ε, d диэлектрическая проницаемость и толщина диэлектрической вставки;
U напряжение на диоде.

Подставив Uэ в (1) получаем
E ≥ Eпор=(8-15)·107, В/м (3) Эта формула определяет условие формирования катодной плазмы. Для практического применения ее необходимо преобразовать относительно диодного зазора расстояния между анодом и катодом, так как на практике этот параметр является наиболее подходящим для применения условия (3):
D+Eпор·d (4)
D≅ (5)
Нельзя допустить электрического пробоя диэлектрической вставки, который определяется электрической прочностью этой вставки
< Eпр (6) где Епр электрическая прочность диэлектрической вставки.

Эту формулу также необходимо преобразовать относительно D:
< Eпр
D+Eпр·d (7)
D > (8)
Объединяя условия (5) и (8), получают необходимое условие для выбора расстояния D между анодом и катодом
, (м) ≥ D>, (м) (9) где U напряжение на диоде, В;
d толщина диэлектрической вставки, м;
Епр электрическая прочность диэлектрической вставки В/м;
Епор пороговая напряженность электрического поля, В/м, для многих материалов эмиттеров она составляет (8-15) x x 107, В/м.

Расстояние между контактными площадками определяется отсутствием электрического пробоя между ними.

Введение в катод между металлической подложкой и многоострийным инициатором катодной плазмы диэлектрической вставки, металлизированной с двух сторон, с контактными площадками позволяет подсоединить каждый отдельный инициатор катодной плазмы. Это приводит к тому, что разрядный ток (ток разряда и эмиссии) зашунтирован током смещения через конденсатор, образованный многоострийным инициатором катодной плазмы и металлической подложкой. Ток протекает равномерно по всему поперечному сечению, что позволяет устранить эрозионное распыление инициатора катодной плазмы. Таким образом, создаются условия для формирования однородной катодной плазмы большого поперечного сечения (практически неограниченной), из которой электрическим полем диода вытягивается электронный пучок. Выбор расстояния между анодом и катодом определен с одной стороны из условий формирования катодной плазмы на инициаторах катодной плазмы, а с другой электрической прочностью диэлектрической вставки. Поскольку процессы в диоде импульсные, то происходит быстрая разрядка конденсатора, образованного металлической подложкой и контактной площадкой.

На чертеже схематично показан взрывоэмиссионный диод.

Диод содержит вакуумную камеру 1, высоковольтный проходной изолятор 2, катодную ножку 3, контактный электрод 4, диэлектрическую вставку 5, контактную площадку 6, многоострийный инициатор 7 катодной плазмы, анод 8.

Вакуумная камера диода обычно выполняется из нержавеющей стали. Катод состоит из катодной ножки 3, контактного электрода 4, диэлектрической вставки 5, контактных площадок 6 и многоострийных инициаторов 7 катодной плазмы. К контактным площадками 6 электрически подсоединены многоострийные инициаторы 7 катодной плазмы, причем к каждой площадке отдельный инициатор катодной плазмы. Анод может быть как фольговым, так и сетчатым. Давление остаточного газа в диоде ≈10-5 Тор.

Устройство работает следующим образом.

При подаче на диод импульсного напряжения на катоде формируется катодная плазма. Процесс формирования катодной плазмы происходит следующим образом.

На многоострийных инициаторах катодной плазмы формируются катодные факелы за счет разогрева их автоэмиссионным током и ионизацией электронами автоэмиссии. При этом катодные факелы, расширяются в радиальном направлении и образуют плазменную область, с границы которой электрическим полем вытягивается электронный пучок.

П р и м е р. Катод изготовлен из двухстороннего фольгированного стеклотекстолита с круглыми площадками диаметром 2,0 мм на одной из сторон, к которым посредством контактной точечной сварки приваривались одиночные острийные инициаторы катодной плазмы. Расстояние между контактными площадками составляло 2 мм, что исключало поверхностный пробой. Одиночные инициаторы катодной плазмы представляли Г-образные медные проволочки диаметром 0,5 мм и протравленные на конце. Расположение их на контактных площадках и их геометрия удовлетворяли получению коэффициента усиления электрического поля К 10. Во втором варианте катода использовался двухсторонний фольгированный фторопласт. Геометрия была такой же, что в первом катоде.

Проведенные эксперименты показали, что электронный пучок с повышенной поперечной однородностью плотности тока (поперечная неоднородность плотности тока Δj/j ≈10%) может быть сформирован с неограниченной площадью. В экспериментах использовались катоды с S 10-300 см2. Отсюда видно техническое преимущество предложенного устройства по сравнению с прототипом. При одной и той же энергии в накопителе энергии в генераторе импульсного напряжения плотность тока пучка падает с увеличением площади, что открывает возможность генерации микросекундных по длительности электронных пучков (при j ≅ 0,1 A/см2). При этом плотность тока пучка электронов составляла j I/S при изменении S 102 до S 300 см2 соответственно j 120 A/см2 и j 4 A/см2 при зазоре между анодом и катодом D 1 cм= 10 мм.

Похожие патенты SU1438511A1

название год авторы номер документа
ИМПУЛЬСНАЯ ТРУБКА 1998
  • Эльяш С.Л.
  • Юрьев А.Л.
  • Калиновская Н.И.
RU2145748C1
ВЗРЫВОЭМИССИОННЫЙ КАТОД 1982
  • Коренев С.А.
SU1143246A1
ВЗРЫВОЭМИССИОННЫЙ ДИОД 1984
  • Коренев С.А.
SU1240259A1
ЭМИТТЕР ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ 1999
  • Каратецкий С.С.
  • Шредник В.Н.
  • Попов Е.О.
  • Коровин О.П.
RU2143766C1
ИСТОЧНИК ИМПУЛЬСНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ (ВАРИАНТЫ) 2009
  • Энгелько Владимир Иванович
  • Ткаченко Константин Иванович
  • Мюллер Георг
RU2395866C1
ГИБРИДНОЕ ИНТЕГРАЛЬНОЕ ВАКУУМНОЕ МИКРОПОЛОСКОВОЕ УСТРОЙСТВО 1994
  • Щелкунов Г.П.
  • Иовдальский В.А.
  • Бейль В.И.
  • Грицук Р.В.
RU2073936C1
КОАКСИАЛЬНЫЙ ДИОД С МАГНИТНОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ 1993
  • Стрелков П.С.
  • Лоза О.Т.
RU2061307C1
ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ВАКУУМНЫЙ ДИОД 1983
  • Коренев С.А.
SU1139307A1
СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ПОЛЕВЫХ ТОКОВ И КРУТИЗНЫ АВТОЭМИССИОННЫХ ВАХ 2023
  • Бокарев В.П.
  • Красников Г.Я.
  • Теплов Г.С.
  • Яфаров А.Р.
  • Яфаров Р.К.
RU2808770C1
Плазменный диод 1981
  • Коренев Сергей Александрович
SU1001224A1

Реферат патента 1995 года ВЗРЫВОЭМИССИОННЫЙ ДИОД

Изобретение относится к области сильноточной электроники и ускорительной техники. Оно может быть использовано в инжекторах сильноточных электронных ускорителей, плазменной электронике, технике СВЧ. Взрывоэмиссионный диод (ВЭД) имеет между металлической подложкой 4 и многоострийным инидиатором 7 катодной плазмы плоскую диэлектрическую вставку 5, металлизированную с двух сторон. На стороне, обращенной в сторону анода 8, металлизация имеет вид раздельных контактных площадок к каждому элементу многоострийного инициатора. 7. Ток протекает равномерно по всему поперечному сечению, создаются условия для формирования однородной катодной плазмы большого поперечного сечения, из которого электрическим полем ВЭД вытягивается электронный пучок. ВЭД имеет и определенное расстояние между анодом 8 и катодом, определенное формулой, приведенной в описании изобретения. ВЭД имеет увеличенную мощность. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Формула изобретения SU 1 438 511 A1

1. ВЗРЫВОЭМИССИОННЫЙ ДИОД, состоящий из вакуумной камеры, высоковольтного проходного изолятора, катодной ножки со взрывоэмиссионным катодом и анода, при этом взрывоэмиссионный катод содержит металлическую подложку и многоострийный инициатор катодной плазмы, отличающийся тем, что, с целью увеличения мощности диода за счет увеличения эффективной площади поперечного однородного электронного пучка, в катоде между металлической подложкой и многоострийным инициатором катодной плазмы введена плоская диэлектрическая вставка, металлизированная с двух сторон, причем на стороне, обращенной в сторону анода, металлизация выполнена в виде раздельных контактных площадок к каждому острийному инициатору катодной плазмы, а расстояние между анодом и катодом D выбрано из выражения

где U напряжение на диоде, В;
d толщина диэлектрической вставки, м;
Eпр электрическая прочность диэлектрической вставки, В/м;
Eпор пороговая напряженность электрического поля, В/м;
K коэффициент усиления электрического поля;
ε диэлектрическая проницаемость диэлектрической вставки.
2. Диод по п.1, отличающийся тем, что диэлектрическая вставка выполнена из фольгированного двустороннего текстолита.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 1995 года SU1438511A1

Месяц Г.А
Генерирование мощных наносекундных импульсов, Сов
радио, - М.: 1974, с.211.

SU 1 438 511 A1

Авторы

Коренев С.А.

Даты

1995-08-09Публикация

1986-07-11Подача