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

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;
E_пр электрическая прочность диэлектрической вставки, В/м;
Е_пор 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 Е_пор
E ≥ E_пор (1) где К коэффициент усиления электрического поля, обусловленный геометрией эмиттеров;
U_э напряжение между эмиттерами и анодом;
D расстояние между анодом и эмиттерами.

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

Подставив U_э в (1) получаем
E ≥ E_пор=(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+E_пор·d (4)
D≅ (5)
Нельзя допустить электрического пробоя диэлектрической вставки, который определяется электрической прочностью этой вставки
< E_пр (6) где Е_пр электрическая прочность диэлектрической вставки.

Эту формулу также необходимо преобразовать относительно D:
< E_пр
D+E_пр·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;
Е_пр электрическая прочность диэлектрической вставки В/м;
Е_пор 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.

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.

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;
E_пр электрическая прочность диэлектрической вставки, В/м;
E_пор 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.