Способ создания сильноточного электронного пучка Советский патент 1991 года по МПК H05H5/00 

Изобретение относится к электронике больших мощностей, в частности к электронным вакуумным приборам (ЭВП) с сильноточным электронным пучком с (СЭП).

Целью изобретения является снижение токовых; и энергетических потерь, повышение технико-экономической эффективности реализации способа за 10 счет подавления колебаний нейтрализующих ионов.

На фиг . 1-3 приведены конструкции катодных узлов с инжекторами jj (инжекторы на фиг. 1 и 2 основаны на осьшании порошка в источниках СЭП с вертикальной осью, инжектор на фиг. 3 рассчитан на применение в источнике с горизонтальной осью). 20

Устройство для реализации спосо ба содержит катодный узел 1, анод 2, Электронный пучок 3 эмиттируется катодом и ускоряется в направлении анода 2. Внутри катодного узла 1 25 установлен инжектор малых частиц выполненньй в виде камеры 4 с мелкодисперсным порошком 5, связанной с устройством 6 для перемещения малых частиц (МЧ).30

В соответствии с предлагаемым способом плазмообразующая среда в виде распределенной мишени состоит из МЧ. МЧ называются частицы вещества, размер которых лежит в пределах .от сотых долей микрометров до десятков микрометров, они могут быть из- готовлейы из самых разнообразных ве- ществ: металлов, диэлектриков, полу- проводников, полимеров и др. Масса ... МЧ достигает значений 10 г и более т.е. она на....10 порядков и более превышает массу атома. Распределен- ная мишень из МЧ к началу импу/ ьса СЭП расположена в части объема nyti- дс ка и не выходит из этого объема, так ,как МЧ практически неподвижны в течение рабочего импульса. Проводимость G, плазмообразующего канала в поперечном направлении близка к нулю, что исключает радиальный пробой СЭП и, собственно, токовые и энергетические потери в поперечном направлении.

Ионизация МЧ осуществляется при соударениях с электронами СЭП .и де вторичных электронов из объема распределенной мишени, коэффициент зарядовой нейтрализации f при этом

50

.. с

0

нарастает от О до 1, собстяеиное поле ПЗ падает до нуля. Колебания ионного фона подавлены из-за чрезвычайно высокой массы ионов. Поскольку плазмообразующая среда отсутствует в объеме ЭПВ всюду, кроме объема СЭП, электрическое поле при f 1 соответствует в зазоре катод - анод решению уравнения Лапласа, в котором наличие виртуального катода невозможно. Поток вторичных электронов из прика- Тоднок области увеличивает первеанс источника.

Расположение инжектора Ш внутри катодного узла обеспечивает возможность формирования распределенной мишени в области виртуального кйтода, который существовал бы в отсутствие этой митени, вызывая потери тока и энергии пучка.

Инжектор, установленный внутри катодного узла, формирует плазмообраэу- ющую среду путем ветрела МЧ сквозь отверстия, находящиеся на эмиттирую- щей поверхности или вблизи нее. При этом плйоненный канал направлен вдоль пучка на катод, т.е. он закорачивает продольное электрическое поле пространственного заряда вдоль СЭП, подавляя виртуальный катод.

В определенном интервале размеров частиц порошки из МЧ обладают сыпучестью в вакууме, что позволяет формировать распределенные мишени методом осыпания.

Кроме метода осыпания можно формировать мишень, путем приданияМЧ механического импульса. В первом методе начальная скорость МЧ равна нулю, во втором устанавливается равной требуемому ненулевому значению.

Устройство для перемещения МЧ в -Направлении к эмиттирующей поверхности содержит узел„ связанный через вакуумньй высоковольтный зазор с источником сигнала, находящимся под нулевым потенциалом. Канал связи может быть оптическим,, электромагнитным в СЕЧ-диапазоне, магнитостатическим, механическШ с диэлектриком и служит для передачи маломощного сигнала от источника. Источник энергии находится либо под нулевым потенциалом, ли- . бо установлен на высоковольтной линии, например внутри катодного узле в устройстве для перемещения МЧ. Это устройбтво включает в себя, кооме то3 ,

roj электромагнит для создания вибраций или удара, или вращающийся на оси диск см. фиг. 1-3) или иное электромехаиическое приспособление, например, пьеэскерамиКу, динамический конденсатор.

Изменение времени включения и выключения инжектора относительно км- пульса СЭП позволяет задать расположение распределенной мишени и требу ему ее- протяженность на любом участке СЭП во время рабочего импульса.

В соответствии с предлагаемьм способом размер частиц d определяется условием

«ин

6 PR,

где d tO мкм - наименьше эна- ; чение размера, определяемое СЕ :г ;ства- ми порошка, конструкцией инжек: - ;; и катодного узла, параметрами СЭП.; R - глубина проникновений электро- нов в вещество порошковой мишани (и);

р - - эмпирический коэффициент, определяемый свойствами вещества порошковой мишени, па- райетрами СЭП, допустимыми потерять энергии в кшшени.

и

Типичные значения параметров СЭП определяются энергией электронов , «10 - 10 кэВ, работой .в единичных импульсов тока I tO А, длительностью с„ . При этом значение R составляет несколько десятков или сотен микрометров в зависимости от свойств вещества порошковой мишеии: R - 10-10 мкм.

При заданных вьш1е значеннях коэффициента R потери энергии при прохождении электрона СЭП сквозь малую частицу, изготовленную, например, из лития или алюминия, составляет несколько единиц - десятков электронвольт; &Е 1,0-10 эВ.

Концентрация частиц мишени Пи {1/м ) определяется соотношением

. .

2tne

-Е Г-ЗЗ 2

а

где коэффициент допустимых потерь g энергии электронов в мишени J -g-;

Е - энергия электронов пада1ва9 х иа мишень (кэВ);

С функция распределения потерь Э.Ивргии электронов по глубине образца, известная для 5 papHbfX рцществ в широком инТерязла нергий (кэВ/м); 1„ - размер к sffleKH вдоль оси СЭП

(м);

Пд - концентрация ионов ня малой 10 частице (f/м );

Пр - концентрация электронов СЭП

CI/M ).

Ограничение снизу в выражении (2) получено из УСЛ09НЯ полной нейтрали- 15 эации ПЗ, сверху - исходя из допусти- ыx потерь энергий.

Работа устройства для реализации cnot:o6a происходит следующим образом. В период подготовки помещают в каме- 20 ру I инжектора мелкодисперсный порошок 5, заряжают источнике энергии инжектора, затем запускяют инжектор в

момент t tj на единичный цикл длительностью и рпзрывпют канал СЕяза инжектора с источником сигнала.

В заданный момент времени t д сд,, определяемый постоянной времени V/ фор «трования мишени, падают импульс СЭП, В течение рабочего уЫпульса СЭП

L мальге частицы практически неподвижны в заданном объеме нейтрализации, нейтрализация и уход вторичных электронов уста апл шаются за время С цвйтр 10 с. Во время рабочего импульса могут быть существенны процессы, нагрева №1 мяшеки и их распад (испарение) на соответствующие атомы (ионы). В паузе между импуль- сатци СЭП мишень вЫ.ходит из заданного.

объема.

В типичных установках с СЭП предлагаемое устройство позволяет осуществить, по данным испытаний, несколько сотен импульсов в серии без

перезарядки инжектора и источника Питания. Заряд источника питания, нахсщящегося в катодном узле, может ос5ЭДестБляться частью протекающего вэ токовводу катодного узла импульса

. Источник питания инжектора,

н ар«мер аккумулятор, может находитб- ея на высоковольтном вводе п вакуум- ту камеру вне ее.

Длительность цикла инжектора усташммшвают в пределах

м п ,

«ffptoiep, выбором постоямнон времени , йда вкньк деталей инжектора.

Время нейтрализации ПЗ для типичных ycTiiHoBOK с СЭП составляет

.

ш f

tdJ пДЛ

.:V

J

(4)

где j

плотность тока СЭП (А/м)j эффективньтй коэф(ф1И1шент вторичной элехтройной ЭМИССИЙ МЧ мишени; длительность фронта импульса СЭП (с). Время смещения Ш на допустимое расстояние и S (м) должно бмть не менее длительности импульса

5,

Sp

см

f-tr-/-s

где - удельный заряд электронаj 9L - отношение массы МЧ к массе

электрона;

- напряженность электрического поля.

Время нагрева МЧ до предельно- Допустимой температуры должно быть не менее длительности импульса

е

-иагр - j;jv.E ui- Ч| J

(б)

где С - теплоемкость вещества МЧ

(Дж/К)I

р - :ш1отность вещества МЧ (кг/мз).

Выбор размеров и вещества МЧ, концентрации частиц мишени-по задан- ньм параметрам СЭП осуществляется путем совместной реализации условий (1-6) в предлагаемом способе. Определяющими являются условия (1,2), условия (3-6) менее жесткие и допускают некоторые отклонения в конкретных условиях эксперимента.

Рассмотрим работу устройства на примере типичного сильноточного РЭП, имеющего параметры U гг 5-10- В, I 2г 10 А. „ - с. Вещество мише

П

ни - алюминий, размер частиц Основные данные определяют по таблицам физических величин. Значение пробега R составляет приблизительно 200 мкм, отсюда параметр Р - условно (1).

Из условия (2) имеем:

i 2-10

;

ллоке

2 10

см

10® смоткуда выбираем п

из условий (4-6) определяем:

Далее

-(б

чеитр

6 to

ем

негр

IO- с:

5-10 с.

0

5

0

5

0

5

Проведенные расчеты, а также экс перименты подтверждают возможность использования предлагаемого способа. Дополнительная оптиькэация определяется выбором более подходящих веществ и размеров МЧ напр1 мер лития, слюды и других диэлектриков и т.д.

Предлагаемый способ имеет большие перспективы применения в народном хозяйстве, В научных исследованиях, в электронной промьшшенности и энергетике данный способ позволяет повысить энергию и ток СЭП, улучшить возможности их транспортировки, повысить технико-экономическ то эффективность установок, генерирующих СЭП. Способ может быть использован также для диагностики СЭП если одновремен- Но измерять характеристики излучения из распределенной мишени. Кроме того предлагаемый способ позволяет получать плотную плазму с высокой кон центрацией эн&ргцк, производить изучение свойств вещества в виде малых частиц.

Формула из обретения

1, Способ создания сильноточного электронного пучка, включающий гене- р. сильноточного электронного пуч ка 3 ускорителе прямого действия с /, катодным узлом к нейтрализацию объемного заряда сильноточного электронного пучка,- отличающийся тем, что, с целью снижения токовых и энергетических потерь, повышения технико экокомической эффективности реализации способа, нейтра.пизацию объемного заряда сильноточного электронного пучка осуществляют ионизированным мелкодисперсным порошком, причем мелкодисперсный порошок ионизируют создаваемым сильноточнь м электронным пучком внутри катодного узла в области вертуального катода при пе-,

реме&(«.нни камеры с по1 ов1ком вдоль оси электронного пучка.

2. Способ по п.1, отличающий с я тем, что размеры частиц мелкодисперсного порошка определяют согласно соотношению

М«1М

d € PR,

« 10

.

;- наименьшее

чение размера, определяемое свойствами поропжа, конструкцией камеры катодного узла, параметрами сильноточ- иого электронного пучка (MSCM) ;

d - размер частиц порошка (м);

R - глубина проникновения эпектрс- нон в вещество порошковой мяшекя (м) |

Р 10 - - эмпирическ i коэффициент, определяемый свойсгаамк вещества порошковой мишени, ;ет рами сильноточного пучка, допустимыми потерями энергии и мишени,

а концентрацию частиц порошка ределяют из соотношения

На ОП

9

-fe H;,.t

.Ш,

01 „rl

§ - KD ффИ1р1ент допустигде

Mbtx потерь энергии электронов в мишени;

6Е - потери энергии при прохождении электроном сквозь частицу порои- ка (к-зВ);

Е - энергия электронов, подаюпптх на м тгаень (кэВ);

G функция распределения потерь экерг-ии электронов по глубине образца, для данного вещества (кэВ){

1„ - размер мишени вдоль оси источника (м);

п концентрация ионов на частице порошка (1/м);

ttg - концентрация электронов сипь- нотсчкого пучка (1/м );

f - коэффициент зарядовой нейтра- 25 лизацни пучка.

Изобретение относн-гея х SJiesrpo- кике больших мощностей и может бьзть использовано в электрон(ШХ вйкуумньгк, приборах. Цель изобретения - сшшанке токовмй и энергетических потерь к повышение технико экоиомической зМ ЭК- тивноети,реализации способа. Элек- тройиый пучок 3 эмиттируется катодом и ускоряется в направлении анод 2, Внутри катодного узла 1 установлен инжектор малых частиц (МЧ), выпо лненг ый в Btwe камеры с мелкодисперскым порошком. Камера связана с устройством 6 для перемещения МЧ. В описании прьгведено соотнотенне для определения размеров и зещества МЧ. Ионизация bW осуществляется при соударениях с электронами сильноточмого электронного (СЭП) . Иониз1фованныв ЬН служат для нейтрализации СЭП. Расположение инкеяторй МЧ внутри катодного узла обеспечивает возможность Формкрозакия распределанксй мигоени в облгстн зчртузльного катода, исключая потери ТОКИ к энергии пучка. Распределенная мкше: ;ь формируется методом осьш-э.ник либо путем предания МЧ механического импульса. Изменение времени включения и выключения ин- кектора относительно импульса СЭП позволяет задать расположение рас- пределеннсй и требуемую ее протяженность на любом участке СЭП во время рабочего импульса. 1 з., 3 иЛб 4 Од 00 сл ;0

фи22

/

Й5йЖ

7/////ОЗ

j /777ff

7//////777Г