Источник электронов Советский патент 1981 года по МПК H01J29/48 

1

Изобретение относится к технике получения импульсных электронных пучков в магнитном поле и Может быть использовано для коллективного ускорения частиц, генерации СВЧ излучения, транспортировки энергии, запасаемой в пучке, на расстоянии, нагрева плазмы.

Известны источники электронов, основными «элементами которых являются источник напряжения, взрьшной катоа, ук репленный на катододержателе, и анод, установленные соосно и выполненные в вице усеченного конуса или цилиндра, вакуум ая труба дрейфа, коллектор пучка и соленоид с источником питания для получения магнитного поля, направленного вдоль оси источника l.

Важной проблемой при создании таких электронных источников является увеличение длительности импульса тока пучка.

Наиболее близким к предлагаемому является источник электронов, в котором электронный пучок формируется из плазмы, образованной на цилиндрическом катоде в процессе взрьшной эмиссии электронов 2. Конструктивно источник выполнен следующим образом. Разрядный вакуумный промежуток образован сплошным цилиндрическим катодом радиусом Г| - 3 - 5,2 см, длиной 3 см и трубой дрейфа, являющейся и анодом, радиусом Гд- 5,6 см. Катод закрепляют на катоцодержателе, представляющем усеченный конус с первоначальным радиусом, равным радиусу катода, переходящем в закрепленный на изоляторе цилиндр, радиус которого больше радиуса катода. Магнитное поле В - 6 - 30 кГс в источнике создают импульсным соленоидом с катушкой коррекции, установленными соосно с трубой дрейфа. Все силовые линии магнитного поля, проходящие между катодом и анодом, с одной стороны входят в графитовый коллектор пучка, установленный в конце трубы дрейфа, а с другой стороны пересекаются с образующими конической поверхностью катодоаержателя и выходят на боковую стенку вакуумной каме- ры. Последнее сделано для того, чтобы исключить потери за счет обратного тока. В случае невыполнения этого условия формируется электронный поток, ускоренный в направлении, обратном пучку (обратный ток), и переносящий ток, сравнимый с током пуска, что резко снижает КПД источника. Кроме того напряженность электрического поля на катододержателе в области пересечения с силовыми линиями магнитного поля меньше критического поля возбуждения взрывной эмиссии электронов. В противном случае на катоподержателе образуется плазма, эмиттирующая электроны, которые ускоряются по силовым линиям магнитного поля, попадают на анод, образуя на ней плазму, которая приводит к преждевременному пробою разрядного промежутка. Так как в реальных источниках указанная область на катододержателе находится на значительном расстоянии от катода, то для вывода в эту область силовых линий магнитного поля в дополнение к соленойду и используется катушка коррекции. Для того, чтобы катододержатель был прони- цаем для магнитного поля, он выполняется полым из немагнитного материала с толщиной стенки, много меньшей толщины окон-слоя. Вакуумная камера с изолятором соединяется с трубой дрейфа коническим переходом. Все металлические части источника выполнены из немагнитдрй нержавеющей стали. Вакуум, ( 10 мм. рт. ст.) в источнике создается двумя паромасляными насосами через спе циальные отверстия в боковой стенке вакуумной камеры. Проведенные исследования показали, что длительность импульсов тока пучка определяется временем распространения катодной плазмы до анода. Измерения скорости катодной плазмы на катоде радиусом - 3,0 см и величины отношения в/i-ii при расстоянии катод-анод А - 4 + 11 мм (-Ьк. время высоковольтной стадии вакуумного разряда, в течение которого формируется электронный пучок) в магнитном поле дают величину (4-7) 10 см/с которая возрастает с уменьшением расстояния катод-анод. Однако известные источники электронов имеют ограниченную длительность импульса тока пучка. Цель изобретения - увеличение длитель ности импульса тока пучка. Это достигается тем, что в источнике электронов, содержащем установленные соосно катододержатель, трубу дрейфа, являющуюся и анодом, соленоид с катушкой коррекции и систему импульсного электрического питания, катод выполнен многоэмиттерным. Применение многоэмиттерного катода в предлагаемом источнике позволяет увеличить длительность импульса тока пучка в 2-3 раза по сравнению с источни- ком электронов, содержаш;им сплошной катод. Увеличение длительности импульса тока пучка обусловлено тем, что в многоэмигтерном катоде плазма, образующаяся на отдельных эмиссионных центpax (эмиттерах), свободно дрейфует перпендикулярно скрещенным электрическому и магнитному полям, что приводит к значительному уменьшению скорости распространения катодной плазмы в направлении к аноду. Максимальная длительность импульса тока пуска в источнике с многоэмиттерным. катодом достигается в том случае, если за время распространения плазмы каждого эмиттера до анода она не достигает плазмы соседних эмиттеров. Для получения разнесенных по катоду эмиттерных центров необходимо создать локальные области с повышенной напря- . женностью электрического поля, достаточ- ной для возбуждения взрывной эмиссии электронов. Увеличить локально напряженность электрического поля можно с помощью внедрения диэлектрика в металл, использования острий и так далее. Исследование формирования электронного пучка проводят в источнике с катодом, вьшолненным в виде металлической пластины с остриями, закрепленными основаниями равномерно по периметру пластины, оси острий лежат в плоскости пластины, вершины острий удалены на равные расстояния от анода. Изме ния величины c3/t| многоострийного катода при расстоянии между вершинами соседних острий сА : 3 мм показывают, что начиная с (il см величина d/-tц для многоострийного катода меньше, чем для сплошного катода. Последующее увеличение приводит к дальнейшему уменьшению cS/tjc по сравнению со сплошным катодом и при Si 10 д величина dl/tvc для многоострийного катода достигает минимальной величины, равной для одиночного острия, которая в 2-3 . раза меньше чем для сплошного катода. С целью получения однородного трубчагого электронного пучка, катод выполнен из набора, насаженных на общую ось. круглых пластин одного диаметра с равным количеством закрепленных на них осгрий, причем пластины удалены одна от другой на разные расстояния и каждая последующая пластина повернута относительно предыдущей таким образом, чтобы проекции вершин острий на плоскость, параллельную плоскости любой из пластин, не совпадали одна с другой и были равномерно распределены по окружности. Максимальное число пластин в катоде определяют отношением расстояния между вершинами острий к диаметру острия - - . Максимальное рассто яние между пластинами определяют из условия, чтобы плазма острий двух сосед них пластин не соединялась в течение времени -Ьк : Ь„о, VH- скорость катодной плазмы вдоль магнитного поля. Минимальное рас стояние равно диаметру острий (толщина пластины много меньше диаметра острия) Используя многоострийные катоды мож но получать электронные пучки различной конфигурации, например, ленточной. Для получения ленточного пучка острия устанавливают на прямоугольных пластинах, смещенных одна относительно другой по длине и высоте для получения однородного пучка требуемых поперечных размеров При этом используется соответствующей формы анод и канал дрейфа. На фиг. 1 приведена общая схема пре лагаемого источника электронов; на фиг. 2 - расположение осгрий на металлической пластине. На ПРОХ.ОДНОМ изоляторе 1 укреплен ,катододержатель 2, к которому закрепляется многоострийный катод 3. Катод выполнен в виде набора разнесенных вдоль оси источника круглых металлических пластин 4 одного диаметра с закрепленными на них остриями 5. Труба 6 дрейфа является к анодом. Ускоренный электронный пучок попадает на коллектор 7. Магнитное поле в источнике создается импульсным соленоидом с катушкой 8 коррекции, установленными соосно с трубой дрейфа, вакуум - парамасляными насосами через специальные отверстия 9 в боковой стенке цилиндрической вакуумной камеры 10. Вакуумная камера соединяется с трубой дрейфа коническим переходом 11. Силовые линии 12 магнитного поля, проходящие между катодом и анодом, пересекгаются с образующими поверх ностями катоцодержателя в области 13, где напряженность электрического поля меньше критического поля возбуждения взрывной эмиссии, и выходят на боковую стенку вакуумной камеры. Устройство работает следующим образом. Система управления выдает сигнал на запуск источника питания соленоида с катушкой 8 коррекции и при достижении максимума магнитного поля - на запуск генераторов импульса напряжения, соединенного непосредственно или через обостряющий разрядник с катодо- держателем 2, на конце которого укреплен катод 3. В вакуумном разрядном промежутке на вершинах острий 5 образуется плазма, которая и эмитткруег электронный пучок во время высоковольтной стадии вакуумного разряда. : Используя катод, выполненный из трех медных пластин диаметром 6 см с закрепленными на каждой из них равномерно 12-тью медными остриями, с расстояниями между пластинами в 2 см и сме.щенными одно относительно другого по ;азимуту на угол 20°, в магнитном поле 18 кГс при расстоянии между вершинами острий и анодом d - 3,5 мм ,{)д- 5,6 см) получают трубчатый элект:ронный пучок длительностью 1 мкс. Автограф пучка, полученный на органической пленке, показывает , что все острия дают вклад в общий ток пучка, при этом на автографе можно различить отпечатки пучков, соответствующих каждому осгрию. Дпя повышения однородности трубчатого пучка необходимо использовать большое число пластин с остриями. Формула изобретения 1. Источник электронов, содержащий установленные соосно катододержатель, катод, работающий в режиме взрывной эмиссии, вакуумную трубу дрейфа, являющуюся и анодом, соленоид с катушкой коррекции для получения магнитного поля, все силовые линии которого, проходящие между катодом и анодом, пересекаются с образующими поверхностями катододержателя в области, где напряженность электрического поля меньше критического поля возбуждения взрывной эмиссии электронов, и систему импульсного электрического питания, отличающийся тем, что, с целью увеличения длительности импульса тока пучка, катод выполнен многоэмиттерным, например, в виде металлической пласги-