Источник электронов со взрывным катодом Советский патент 1983 года по МПК H01J29/48 

Изобретение относится к технике генерирования электронных пучков. Оно может быть использовано в лазерной ускорительной технике, в плаэмоxи 4ии и других областях науки и техники, в пищевой промышленности.

Известны источники электронов.со взрывным катодом 1 , содержащие катод, анод. Электроны вытягиваются из катодной плазмы, образованной взрывным разрушением микрбрстрий при перегреве их автоэмиссионным током, и ускоряются приложенным напря жением до тех пор, пока передний фронт плазмы не достигнет анода.

Один из основных недостатков известных источников состоит в том, что длительность генерируемых пучков ограничивается заполне ем вакуумного промежутка плотной плазмой распространяющейся от катода к аноду со скоростью (f,5-3) см/с. Кроме того, эффективность таких источников, невысока (S-10%). ЭтоОбусловлено тем, что стенки вакуумной камеры в них имеют потенциал анода, в результате на .стенках теряется. значительная часть эмиттируемых из катодной плазмы электронрв.

Известен источник электронов со взрывным катодом 2 , содержащий катод, фокусирующий электрод и находящиеся под потенциалом земли анод и вакуумную камеру. Фокусирующий электрод выполнен в виде двух цилиндров, удаленных друг от друга на расстояние, меньшее размера промежутка анод-катод, и изолированных от всех элементов источника.- Эти цилиндры расположены между катодом и анодом, а их оси перпендикулярны нормали к плоскости катода. Потенциал на: фокусирующем электроде задается от дополнительной электрической цепи.

В этом источнике при расстоянии анод-катод 150 мм, расстоянии катодфокусирующий электрод 7.0 мм, расстоянии между цилиндрами 80 мм получен пучок со следующими параметрами: плотность тока 30 мА/см, энергия 225 кэВ, длительность- 10 мс. Таким образом, введение фокусирующего электрода позволяет значительно увеличить длительность генерируемого пучка.

Для получения необходимой, эффективности и длительности генерируемого пучка расстояние между цилиндрами фокусирующего электрода взято довольно малым, что сильно ослабляет напряженность поля у катода, делает ее недостаточной для возбуждения взрывной эмиссии лишь подачей напряжения на промежуток :анод-катод и вызывает необходимость исполь зойания дополнительного поджигающего импульса. Вследствие этого схема

питания источника усложняется введением дополнительной электрической цепи, с помощью которой для возбуждения взрывной эмиссии фокусирующий электрод поддерживае.тся вначале под 5 потенциалом земли, а после образования катодной плазмы принимает потенциал, необходимый для фокусиров и.

Кроме того, для подвода питания

10 фокусирующего электрода от дополнительной цепи в источник введены два проходных изолятора (помимо проход ного изолятора в катодном узле) , что значительно усложняет конструкцию

S источника.

Существенным недостатком является то, что фокусирующий электрод занимает лишь часть промежутка анодкатод и поэтому не устраняет полностью влияния стенок камеры на токоотбрр. Это затрудняет генерирование электронных пучков длительностью 10 мс и более, приводит к потере части электронного тока на стенках

C камеры (часть его также теряется на сопротивлении, включенном в цепь питания фокусирующего электрода). Поэтому эффективность описанного источника составляет . Цель изобретения - увеличение

длительности генерирования электронных пучков, упрощение схемы питания и конструкции источника.

Цель достигается тем, что фоку- , сирующий электрод выполнен в виде

5 сосуда с отверстием, в которое углублен анод катод расположен внут|ри фокусирующего электрода, имеет I электрический контакт с последним и удален от анода на расстояние,

0 квадрат которого не меньше площади собирающей электронной поверхности анода.

На фиг. 1 показан предложенный источник электронов со взрывным

С катодом, разрез; на фиг. 2 приведены зависимости d/u от d для разных S, где d зазор анод-катод; tjj время коммутации; S - площадь соби- . рающей электронной поверхности анода; на фиг. 3 - (а, б) - осциллограммы электронного тока и напряжения на промежутке..

Источник электронов со взрывным катодом содержит находящиеся под потенциалом земли вакуумную камеру 1

5 и анод 2, а также фокусирующий злек- трод 3 и катод 4.

Фокусирующий электрод предназначен для фокусировки электронного 0 пучка и, устранения влияния стенок камеры на токоотбор. Он выполнен в виде цТилиндричёского сосуда с пло-. щадью поперечного сечения внутренней полости 70000 мгл. Сосуд имеет с отверстие диаметром 260 мм, через которое на 30 мм вглубь сосуда проходит анод 2. Анод выполнен в виде цилиндрического сосуда с фланцем, которым он прикреплен к камере 1 источника. Со стороны катода 4 анод ограничен титановой фольгой, служащей окном 7 для вывода электронов. Площадь эффективной собирающей элек тронной поверхности анода равна 6300 . Фокусирующий эле,ктрод 3 крепится к секционированному проходному иэо.лятору 5, помещенному в алюминиевый стакан 6 высоковольтного ввода. Изо лятор имеет отверстие для подачи высокого напряжения в промежуток ка тод-анод. Катод 4 расположен внутри фокусирующего электрода напротив анода, имеет электрический контакт с электродом и удален от поверхност анода на расстояние d, квадрат кото рого не меньше площади эффективной собирающей электронной поверхности анода (d 14 см). При подаче накатод 4 напряжения достаточного для возбуждения взрывной эмиссии, на катоде создается плазма. Электроны вытягиваются с пе риферийных областей катодной плазма, ускоряются приложенным напряжением и извлекаются через фольговое окно. Таким образом, с момента.появления плазмы на катоде начинается импульс электронного тока, который оканчивается в момент перехода раз ряда в низковольтную стадию. Это вр мя близко к времени коммутации и оп ределяется соотношением , где d - величина зазора анод-катод Vj - скорость распространения плаЭмы. На фиг. 2 приведены зависимости -т- от d для разных площадей поп речного сечения анода S:кривая 7 для 5 102400 мм , кривая 8 - для мм, кривая 9 - дпя 5 700 мм кривая 10 - для 5 280 мгл, получен ные при наличии и отсутствии фокусирующего электрода. Видно, что в случае большой площади анода и отсутствия фокусирующего электрода, {кривая 7) с увеличением d соотношение -г- несколько растет, при к введении же фокусирующего электрод описанной конфигурации с увеличением d до величины величина --- резко падает от я: 2-10 до 4-10 см/с (кривые 8, 9, 10). Поэтому в предложенном источнике электронов для выбора размера анода используется условие . При лабораторных исследованиях источника электронов со взрывным катодом был получен пучок со следующими параметрами: ток пучка 2рО А, энергия 200 кэВ, длительность генерируемого пучка 30 мс, причем это время ограничено не перемыканием промежутка плазмой, а разрядом ГИН. осциллограммы тока пучка и напряжения на промежутке анод-катод приведены на фиг. 3 (а,б). В -предложенном источнике электронов путем увеличения емкости ГИН и подбора наиболее оптимальных размеров фокусирующего электрода можно еще более увеличить длительность генерируемого пучка. Использование анода с площадью поперечного сечения, меньшей квадрата зазора анод-катод (), определяет следующие существенные преимущества источника по сравнению с прототипом:1.Использование одного проходного изолятора вместо трех в прототипе, что упрощает конструкцию источника. 2.Упрощение схем питания за счет исключения электрической цепи питания фокусирующего электрода. 3.Увеличение длительности генерируемого пучка до 30 мс (10 мс в прототипе) при напряжении питания 200 кВ (ток пучка 200 Л). 4.Повышение эффективности ис.точника электронов путем исключения потери электронов на стенках камеры. Применение предложенных источников для накачки газовых лазеров позволяет значительно повысить КПД последних. Применение источника электронов в пищевой промышленности для стерилизации пищевых продуктов значительно улучшает качество стерилизации. Источники электронных пучков большой длительности могут найти широкое применение в других областях науки и техники и различных отраслях промышленности.

.. ,см/с«к

20№й«Т 3 t S (f.c

t-fftt

Ю 15 го г5 t-wV

Фмг.2

ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРОНОВ CO ВЗРЫВНЫМ КАТОДОМ, содержащий катод, фокусирующий электрод и находящиеся под потенциёшом земли анод и вакуумную камеру^ отличающий- с я тем. Что, с целью увеличения длительности генерируемых электронных пучков, упрощения конструкции источника и схемы питания, фокусирующий электрод выполнен в виде сосуда с отверстием, в которое углублен анод, катод расположен внутри фоку- сирукмцего электрода, имеет электрический контакт с последним и удален от анода на расстояние, квадрат которого не меньше площади эффективной собирающей электронной поверхности анода.iШС•» ^о^ оК)о4^

f-K «/в

Фиг.З