Устройство для электрического торможения пучка заряженных частиц Советский патент 1979 года по МПК H05H7/00 

Изобретение относится к устройствам для эпекфического торможения интенсивных моноэнергетаческих потоков заряженных частиц, в частности электронов, с целью рекз т1ерации энер гии электронного потока, т.е. преврашеш1я кинетическот энергии часлщ в электрическ)то эне гию. Такие устройства могут быть применены в электронньтх приборах, в которых дня улучшения КПД предусмотрена рекуперация энергнн пучка. Известно устройстао по основному авт.св. № 376027, иагаяьзуемое для торможения заряженных частиц пучка, содержащее три электрода. Мехсцу первьп«4 и вторым приложена замедляющая раэ1юсть потенциалов; электрическое поле между вторым и третьим электродами ускоряет основной пучок и замедляет (запирает) вторичные электроны. Для уменьшения потока вторичных частиц, отраженных от второго элект рода, ои выполняется в виде многих заостренных игл или лезвий. Недостатком такого устройства является невозможность пояутения степени ослабления (экранировки) потока вторичных электронов вьпие, чем в раз. Это связано с тем, о устройство не способно задержать ту часть вторичных электронов, вылетяюыдах с третьего электрода (пршгамающего основной пучок), которая имеет энерппо, равную энергии основного пучка, и скорость, направленную примерно по нормали к поверхности третьего электрода. Целью изобретения является уменьшение потока вторичных электронов. Поставленная цель достигается тем, что в третьем электроде выполнены отверстия (прорези) , расположенные против центра каждой ячейки второго электрода, а за третьим электродом против каждого отверстия (прорези) расположены цилиндры Фарадея, при этом устройство снабжено средствами для подачи на упомянутые полости потенциала, положительного относительно третьего электрода. Если путок заряженных частиц транспоргнруется (перед тем, как попасть в устройство для торможения) в продольном магнитном по-ле, то целесообразно снабдить устройство для торможения средствами для создания магнитноГО ПОЛЯ, силовые линии которого направлены примерно по нормали к эквипотенциалям электрического поля. При этом для улучшения фокусировки пучка в местах, где в третьем электроде находятся отверстия или прорези, имеются средства для магнитаой фокусировки пучка, а в цилиндрах Фарадея размещены острия из ферромагнитного материала, закрепленные своими основаниями на общей пластине из ферромагнитного материала. На фиг. 1 показана схема предлагаемого устройства; йа фиг. 2 - устройство для торможения использованием средств магнитной фокусировки. Устройство содержит четьфе электрода (фиг.1 Электрод 1 может быть выполнен в виде плоской пластины или в ином виде. Электрод 2 выполнен в виде игл (острий) или заостренных лезвий (ножей). Все иглы или ножи электрически и механически соединены между собой (на чертежах не показано). Электрод 3 представляет собой пластину со многими круглыми отверстиями или длинными прорезями. Электрод 4 представляет собой набор цилиндров Фарадея. Электрод 4 может бьпъ выполнен как из innonix отдельных элементов, соединенных друг с другом механически я электрически, так и из целой пластины, в которой нуж ные полости получены механической обработкой. При транспортировке пучка в продольное маг нитное поле рационально устройство для юрможе ния снабжено средствами для создания магюганого поля (фиг. 2). При этом силовые линии в уст ройстве для торможеш1я направлены примерно во нормали к эквипотенциалям замедляющего элект рического поля. Конфиг)фация магнитного поля подбирается с учетом необходимости фокусировки элевстронов в центре ячеек электрода 2. Для этого на общем магнитном полюсе 5 имеются острия из ферромагнитного материала 6, размещенные в полостях цилиндров Фарадея 4. Большая часть силовых линий 7 магнитного поля заканчивается на остриях 6. Возможны другие конструктивные решения, обеспечивающие фокусировку электронов во входные отверстия цштиндров Фарадея 4. Для создания магнитного поля могут быть использованы различные средства. В частности, на фиг. 2 показан электромагнит с двумя катущ ками 8 и 9 и отрезками магнитопровода 5 и 10. Обратный магнитный поток 11 замьжается в сто роне от зоны торможения. Для замыкания потока 11 может быть использовано также ферромаг нитное ярмо, состоящее из многих изолированных друг от друга элементов. Основная часть электронов попадает в пространство между иглами (ножами) 2 и продолжает двигаться в первоначальном направлении - в сторону электрода 3. Между электродами 2 и 3 приложена ускоряющая разность потенциалов. Таким образом, подпетая к электроду 3, электроны имеют энергию, близкую к величине потенциала этого электрода. Существенным является то, что эквипотенциали этого ускоряющего поля имеют форму фокусирующей линзы и поток электронов разбивается электродом 2 на отдельные струи, каждая из которых фокусируется на электрод 3 в средней части ячейки электрода 2 (фиг. 2). Примерно по размеру фокусного пятна электрод 3 имеет отверстия - круглые или удлиненные - в зависимости от формы сфокусированного потока электронов, определяемого, в свою очередь, структурой электрода 2. Таким образом, струи электронного потока попадают в полости электрода 4. Между электродами 3 и 4 также имеется небольшое ускоряющее напряжение для основного потока и, соответственно, замедляющее напряжение для вторичных электронов с электрода 4. Каждая ячейка электрода 4 имеет оптимальную геометрию для максимального подавления вторичных электронов. Электрод 3 играет при этом роль супрессора. Размеры электрода 4 подбираются расчетом или экс11еримента51ыю. Ускоряюаяю электрические ноля вблизи электродов 3 и 4 несколько увеличивают энергию посадки электронов основного потока, однако эти величюа достаточно малы. Так, при начальной даергии пучка 100-200 кэВ потенциал электрода 4, определяюидай энергию посадки, может составить всего 500-1000 В (т.е. энергия посадки электронов 500-1000 эВ). Отсутствие отверстий в электродах 3 и 4 затруднило бы уменьшение потока вторичных частиц до величин менее 10-10. Как отмечалось, прозрачность электрода 2 очень велика; она обеспечивает поток вторичных частнц с самого электрода 2 менее от основного пучка. Но определяющими в этом случае являются вторичные частицы, вылетающие с электрода 3 с полной энергией, примерно перлендикз ярно поверхности посадки (т.е. поверхности электрода 3). Известно, что 1-2% вторичных частиц имеют энергию, равную энергии частиц первичного потока; часть из них вьшетает под углами, близкими к нормали. Естественно, глубина потенциальной ямы, останавливающей вторичные, не может быть рассчитана на полную энергию падаюащх частиц; она обеспечивает запирание большей части вторичных частиц, энергия которых равна 0,1-0,2 от энергии падающего потока. В результате, поток вторичных частиц в отсутствие предлагаемых средств составил бы не менее от основного лучка. В то же вргемя прохождение потока в виде отдельных струй в полости электрюда 4 позволяет еще на один-два порядка уменьшить поток вторичных частиц. Таким образом, поток вторичных частиц в предлагаемой конструкции может составить менее от основного (падающего) потока. Такая высокая степень экранировки вторичных позволяет осуществить торможение сверхмощных импульсных или стационарных электронных потоков. Одним из ограничений в предлагаемой конструкции, помимо экранирующих свойств цилиндр Фарадея, является также доля пучка, которая не подвергалась фокусировке: часть электронов, ока завшаяся на границе двух струй (двух фокусиру ющих электростатических линз) может не сфоку сироваться и не попасть в отверстия электрода 3 Возможно, с этой точки зрения лучшей окажется система с лезвиями, а не с остриями: здесь большая доля потока подвергается фокусировке. Улучшение оптичеосих свойств системы можно получить в конструкщш, аналогичной электрон ной пушке с компрессяен, использу101Е(ей ведущее мачштное поле (фиг. 2). Более четкие гранищл пучка yMettbVfatat потери частиц при транспортировке, а в ряда случаев уменьшают и сечение потока частщ (что, в свою очереда, позволяет умеиьишть яюртуру системы и сделать установку более портативной). В нашем случае магнитное поле одновременно способствует фокусировке струй электронного потока в отверстия в электроде 3. Доля электройного потока, который подвергается магнитной фокусировке, определяется допей магнитного потока, которая попадает на острие 6. Какая-то часть потока, естественно, замкнется прямо на ферромагнитную деталь 5, минуя острия 6. Для улучшения фокусирующего действия магнитного потока иеобходимо подобрать оптимальную высоту острий 6. Выбор оптимальных размеров элементов устройства для торможения зависит от конкретных параметров замедляющего пучка, а также от требований, предъявляемых к устройству: велич1П1а первеанса, допустимая энергия посадки, величина потока вторичных частиц и др. Формула изобретения 1.Устройство для электрического тормож иия пучка заряженных частиц по авт. св. N 376027, отличающееся тем, что, с целью уменьшения потока вторичных электронов, в третьем электроде напротив центра каждой ячейки, образованной элементами второго электрода, выполнены отверстия, за которыми установлены цилиндры Фарадея, подключенные к третьему электроду череэ источник положительного потенциала. 2.Устройство по п. 1,отличающее с я тем, что цмлищфы Фарадея снабжены средствами для создания осевого магнитного поля и в их торцовых стенках установлены острия из ферромагнитного материала.