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

Изобретение относится к области генерирования электронных пучков и может быть использовано в плазмохимии, в ускорительной технике, в тех нике генерирования оптического СВЧ рентгеновского излучения, а также в электроннолучевой технологии, напри мер дла плавки, -сварки и резки метал лов . . Известен источник электронов со взрывным катодом, .содержащий катод, анод, находящийся под потенциалом . земли,- и фокусирующий электрод , выполненный в виде сосуда с отверсти ем, в которое углублен анод, катод расположен внутри фокусирующего элек трода, имеет электрический контакт с последним и удален от анода- на расстояние, квадрат которого не мень ше площади поверхности анода, собирающей электроны. Этот источник имеет малую расходимость пучка, в нем получены пучки длительностью л/ 50 МКС, энергией кэВ и плотностью тока на аноде 1 А/см , причем длительность импуль са во многих случаях ограничивается не зажиганием дугового разряда/ а разрядсвч ГИНа. Но в известном источнике не устра нены такие недостатки, как нестабиль ность тока до времени и амплитуде, не удается -увеличить плотность тока до величины 1 А/см, коэффициент токопрохождения в анодное отверстие не превышает. 50%. Целью изобретения является увеличение плотности тока пучка до величины 5 10 А/см, у величение сходимост пучка, уменьшение пульсаций-электрон ного тока, исключение зажигания.дугЬвого разряда за время ; 10 с. Цель- достигается тем/ что источник электронов со взрывным катодом, имеет катод, анод, находящийся под потенциалом земли, и фокусирующий электрод, выполненный в виде сосуда с отверстием, в которое углублен анод, причем катод расположен внутри .фокусирующего электрода, имеет электрический контакт с последним и удаг лен от анода на расстояние, квадрат которого не меньше площади поверхности анода, собирающей электроны, снабжен электродом-плазме;нным отражателем, закрепленным между анодом и катодом с возможностью перемещения. . .,-. Введение плазменного отражателя приводит к равномерному, стабилизированному натеканию плазмы в промежуток плазменный отражатель-анод. В этом случае исключаются флуктуации эмиссионной способности плазменной поверхности, к,ак это имеет место при прямом выходе к ней сгустков плазмы образующихся у катода вследствие фл у туаций скорости поступления материала катод в плазму катодного факела. Токоотбор.начинается когда плазма, радиально расширяясь;, выходит из зоны экранировки эмиссионной границы от внешнего поля плазменным отражателем. Такое первоначальное расширение плазмы при отсутств-ии токортбора способствует существенному спаду концентрации плазмы на границе.. Поэтому с самого начала токоотбора эмиссионная граница плазмы начинает работать в режиме насыщения. В таком режиме эмиссионная поверхность пла.змы подвергается тормоз-ящему воздействию со стороны, внешнего электрического поля. Продольное расширение, плазмы прекращается,, а, расширяясь радиально, пла.з.менная поверхность принимает положение, соответствующее нулевой (катодной) эквипотенциальной.поверхно- . сти, которая, в данной конструкции имеет вогнутую форму. Таким образом, введение плазменного отражателя умень шает флуктуации эмиссионной способности границы плазмы, т.е. уменьшает колебания тока пучка, способствует, формированию вогнутой эмиссионной поверхности,.тем самым способствует фЬрмированию сходящегося электронного пучка, повьшает эффективность источника, плотность тока на аноде. Кроме того, торможение эмиссионной границы в месте нулевой эквипотенциали з.начительно увеличивает время до зажигания дугового разряда в источнике (которое в вышеперечисленных устройствах ограничива.ется перемлкапием промежутка катодной плазмой). На фиг. 1 изображен общий вид предлагаемого источника электронов со взрывным-катодом;-на фиг. 2 и 3 осциллограммы тока пучка и напряжения на промежут се. Источник sjiekTpoHOB со взрывным катодом включает катод 1,анод 2, находящийся под потенциалом земли, фoкycиps oщий электрод, 3 .и электродплазменный отражатель 4. . Возможность-- фиксации эмиссионной поверхности плазмы кат.одного факела в месте нахождения катодной .эквипотенциали позволяет применять в заявляемом источнике в качестве электронно-оптической системы уже известные гбонфигурации, используемые в пушках с термокатодом. В нашем .источнике используется электронно-оптическая ; система электронной пушки первеансом 2, и сходимостью по площади 300:1, причем все характерные размеры увеличены в 5,5 раз. Электрод-плазменный отражатель установлен на месте накаленного катода и выполне« в виде сплошного диска из углеграфитовой ткани диаметром 15 мм. Центр диска расположен по оси пушки. Плазменный отражатель предназначен для предотвращения прямого выхода плазмы в промежуток катод-анод и возникающих в процессе токоотбора . плазменных сгустков к эмиссионной границе. Поскольку плазменный отражатель расположен между катодом и анодом и тем самым экранирует катод от непосредственного воздействия внешнего электрическог1э поля, то для создания на катоде плазмы электродплазменный отражатель используется и как поджигающий электрод. Поэтому отражатель соединен с анодом, но через большое ограничительное активное сопротивление ЕП 80 кОм с целью уменьшения потерь мощности в цепи поджига. Катод представляет србой заточенный карандашный графитовый стержень, который расположен пооси источника, удален от элeктpoдa-пJ aзменного-отрг жателя на расстояние , до статочное для стабильного поджига и крепится другим концом к катодному фланцу, наглухо закрывающему отверстие фокусирующего электрода с катодной стороны. Причем для данной конструкции выполняется условие: квадрат расстояния катод-анод не меньше площади отверстия в аноде j в данном источнике пучок на анод практически не попадает. . . Приподаче на катод напряжения, достаточного для возбуждения взрывной эмиссии, в цепи катод-плазмен- . ный отражатель зажигается разряд. Когда поверхность плазки, образующей ся при взрыве катода, расширяясь радиально, попадает под воздействие поля анода,- с нее начинают отбираться электроны, и формируется электронный пучок. При этом на эмиссионной-поверхности плазмы сразу устанавливает ся режим насыщения вследствие расширения плазмы до начала токоотбора. Поэтому плазма не распространяется в промежуток плазменный отражатель анод, а продолжает лишь расширяться радиально и занимать положение нулевой эквипотенциал. Таким образом, за время порядка 5 мкс формируется. эазвитая вогнутая эмиссионная поверх ность, с этсуго момента ток пучка выходит на плато, Как-,указывгшось выше поступление частиц вплазму катодного факела происходит нерав неядерно в прототцпе это приводит к нарушению режима насыщения на эмиссионной гра нице, в связи с этим к всплескам тока, к распространению плазмы к ано ду, к быстрс 4у зажиганию дугового разряда в промежутке. При исследовании потоков плазмы, исходящих из опорных точек дуги, замечено, что истечение плазмы происходит перпендикулярно поверхности, на которой . -расположен опорная точка. В-заявляемой конструкции опорные точки располагаются против плазменного отражателя. Поэтому образуквдиеся вследствие неравномерного уноса материала катода плазменные образования повышенной концентрации налетают на отражатель; зеркально отражаются от него, т.е. как бы расплескиваются, и в результате не выходят непосредственно к плазменной эмиссионной границе и не нарушают режим насьшения. Это обеспечивает постоянство положения эмиссионной гранищл и хорошее токопрохождение, стабильность тока по амплитуде, существенно увеличивает время до заикигания дугового разряда в промежутке. Форма эмиссионной поверхности и, следовательно, сходимость пучка регулируются в данном источнике подбором глубины погружения плазменного отражателя и его диаметра. Исследования работы источника электронов со взрывным катодсян в условиях оптимальной геометрии дали следующие результаты. .При изменении ускоряющего напряжения от 15 до 32 кВ коэффициент токопрохождения и первеанс пучка остаются постоянными и равными 98-99% и А/В соответственно, что свидетельствует о постоянстве положения эмиссионной границы. Длительность пучка составляет величину «.10 с и ограничивается не зажиганием дуги, а разрядом линии . При ускоряющем напряжении 30 кВ получена плотнрсть потока мощности в пушке .-л, о Вт/см. Осциллогргммы тока дучка и напряжения на промежутке приведены на фиг. 2 и фиг. 3. Таким образом, введение электродаплазменного отражателя дает следующие преимущества заявляемого источника электронов со взрывным катодом над прототипом. Заявляемый источник генерирует остррсфокусированные электронные пучки плотностью тока 10-20 ЧЛ/см дли.тельностыб не менее с, ny4jcH с параметрами не были получены ни в одном из известных источников электронов со взрывным катодом. Значительно уменьшены пульсации электронного тока пучка. При длительности импульса напряжения 310 с и частоте следования импульса 40 Гц воспроизводимость импульсов тока оказывается не хуже 10-15%. В источнике получен коэффициент токопрохождения в анодное отверстие 99%, т.е. существенно повышена эффективность источника, поскольку в прототипе значительная часть электроно-з пучка попадает на анод. Возможность получения в заявляемом источнике электронных пучков с

большой плотностью тока, высокая эффективность источника значительно расширяет область применения источников электронов со взрьшным катодом, .В частности, такой источник сможет с успехом использоваться в электроннолучевой плавне, сварке и резании тугоплавких металлов. В настоящее

время для этих целей используются источники электронов с термокатодом, где значительная часть мощности источника (), расходуется в цепи подогревателя катода, применение заявляё мого источника,где потери в цепи поджига катода составляют 0,5%,может) дать большой экономический эффект.

ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРОНОВ СО ВЗРЫВНЬМ КАТОДОМ по авт. св. 602041 о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью увеличения плотности тока пучка, источник снабжен электродомплазменным отражателем, закрепленным между катодом и анодом с возможностью перемещения. (Л с 00 00

ifO

20

60 во

1ОО t.HKf

.2

f

и,кВ

is

10

5

20

iOO tf fffcc

SO SO Фт. 3 a