Плазменный источник электронов Советский патент 1982 года по МПК H01J27/02 

(5) ПЛАЗМЕННЫЙ ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРОНОВ Изобретение относится к устройствам для получения интенсивных электронных пучков в непрерывном режиме и на длинных импульсах и может быть использовано для различных технологических операций в вакууме и среде агрессивных газов низкого давления (сварки, вакуумной плавки, распыления, обработки материалов электронным лучом). Известны источники электронов, в которых извлечение электронного пучка производится с плазменного at rтера 1. Для обеспечения высоких физико-те хологических параметров плазменных ис точников электронов в разрядной камере создается неоднородная плазма с повышенной плотностью в области токо отбора. Такая плазма генерируется обычно при сжатии (контрагировании) разряда отверстием в специальном эле роде в приборах типа плазмотрон и дуоплазмотрон. Дпойной электростатит &

ФОНД

;.:и: t

V4 ческий слой, который образуется с катодной стороны сужения разряда, ускоряет и фокусирует электроны в отверстие анода, что обеспечивает направ ленный выход электронов в отверстие анода, что обеспечивает направленный выход электронов из разряда в вакуум. Плотность заря)хенных частиц в отверстии анода при этом может быть столь высокой, что с помощью ускоряющего электрического поля не удается сформировать плоскую или вогнутую границу плазмы, необходимую для нормальной работы источника (без пробоя ускоряющего промежутка). При получении интенсивных пучков в приборах такого типа для увеличения электрической прочности ускоряющего промежутка вводят специальное расширение, в котором происходит декомпрессия плазмы. Недостатком известных источников с расширением является то, что плотность плазмы на оси расширения много

379

больше, чем на периферии, что затрудняет формирование плоской или вогнутой границы: с увеличением ускоряющего напряжения формируется вогнутая тороидальная поверхность плазмы с выпуклостью вблизи оси контрагирования разряда.

Известен плазменный источник элект ронов, содержащий холодный полый катод, ограниченный стенкой с коническим отверстием, анод с эмиссионным отверстием и ускоряющий электрод 2Х

Недостатком этого устройства являются неудовлетворительные условия формирования пучка (границы плазмы) и низкая электрическая прочность ускоряющего прослежу т ка вследствие неоднородной плотности тока по эмиссионной поверхности плазмы.

Целью изобретения является улучшение фокусировки пучка и повышение электрической прочности ускоряющего промежутка путем выравнивания плотности тока по эмиссионной поверхности плазмы.

Эта цель достигается тем, что в известном источнике, содержащем холодный полый катод, ограниченный стенкой с коническим отверстием, анод с эмиссионным отверстием и ускоряющий электрод, по оси полого катода установлен стержень с конической вершиной, выполненный из магнитомягкого материала и образующий с отверстием в стенке полого катода конусный зазор, при этом анод установлен так, что центр эмиссионного отверстия анода совпадает с вершиной конусной поверхности, являющейся геометрическим местом средних точек упомянутого зазора.

На чертеже показан предлагаемый плазменный источник электродов.

Источник электродов содержит катод, полость которого Ъбразован цилиндром 1 из немагнитного материала, стержнем 2, стенкой 3 и магнитопроводом , анод 5 и ускоряющий электрод 6. Стержень 2 и стенка 3 образуют конусный завор с вершиной конуса в плоскости выходного отверстия в аноде 5. Анод 5 со стороны ускоряющего электрода 6 имеет расширение 7. Катушка 8, стенка 3, магнитопровод k и стержень 2 из ферромагнитного материала служат для создания поперечного магнитного поля в зазоре. Рабочий газ напускается в катодную полость.

0984

Источник работает следующим образом.

При наличии магнитного поля в зазоре и .напрях ения между катодом и S анодом 5 первоначально зажигается слаботочный разряд в скрещенных полях на стенки зазора, который инициирует сильноточный разряд с полым катодом, контрагированный конусным зазором. Разрядный ток достигает 3 А без перехода в дуговой режим. После зажигания разряда магнитная индукция В может быть уменьшена до величины остаточной цндукции В . Двойной элект5 простатический слой в оорме полутороида, образующийся с катодной стороны зазора, фокусирует электроны, вдоль поверхности конуса, являющейся геометрическим местом средних точек зазора. Благодаря расположению вершинь конуса в центре выходного отверстия в аноде, через это малое отверстие плазма эффективно проникает в вакуум. Поперечное магнитное поле в зазоре 5 препятствует локализации разрядного тока и обеспечивает постоянство параметров плазмы в зазоре и на выходе в вакуум по азимуту.

За выходным отверстием анода в 0 расширении электроны расходятся вдоль поверхности того же конуса. Часть электронов рассеивается при столкновении с атомами газа. Направленный расходящийся поток электронов повышает плотность тока на периферии расширения, обеспечивая равномерное распределение плотности электронов плазмы на эмиссионной поверхности. Под действием ускоряющего напряжения, 0 приложенного между электродами 5 и 6, формируется вогнутая rio всей поверхности граница плазмы, что обеспечивает хорошее токопрохождение пучка через ускоряющий электрод, высокую электри, ческую прочность ускоряющего промежутка и оптимальные условия для дальнейшего формирования пучка. Кроме того, по сравнению с прототипом, источник позволяет получать амперные токи пучка без низкочастотных колебаний, благодаря затягиванию перехода в дугу с катодным пятном. ,

При расходе газа воздуха /ч, токе разряда 0,5 А, магнитном 5 гтбле 50 Э и ускоряющем напряжении кВ получен пучок электронов с током 0,5 А. При этом обеспечивается хорошая фокусировка пучка при измене