Высоковольтный диод

 

ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ДИОД, содержащий герметичную камеру с осесимметрично расположенными анодом и катодом , выполненным в виде металлической подложки с диэлектрической вставкой и вспомогательным электродом, отличающийся тем, что, с целью увеличения длительности импульса тока пучка электронов, вспомогательный электрод выполнен в виде размещенного коаксиально с подложкой металлического цилиндра, отнощение диаметра которого к диаметру подложки заключено в пределах 0,1-0,03, при этом торцы подложки и вспомогательного электрода лежат в одной плоскости, диэлектрическая вставка выполнена толщиной, удовлетворяющей соотношению . где D - расстояние между анодом и вспомогательным электродом; f - диэлектрическая проницаемость материала вставки, а обращенная к аноду поверхность диэлеке трической вставки покрыта слоем вещества (Л с работой выхода эВ. 1С ьэ со со СХ)

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК з (51) Н 05 Н 5/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К АВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3397059/18-21 (22) 12.02.82 (46) 07.06.83. Бюл. № 21 (72) С. А. Коренев (71) Объединенный институт ядерных исследований (53) 621.384.6 (088.8) (56) 1. Смирнов В. П. Получение сильноточных пучков электронов. «ПТЭ», 1977, № 2, с. 21 — 22.

2. Коренев С. А. формирование сильноточных электронных пучков в сильноточном диоде. Сообщение ОИЯИ, 9 — 81 — 573, Дубна, ОИЯИ, 1981 (прототип) . (54) (57) ВЫСОКОВОЛЬТНЫИ ДИОД, содержащий герметичную камеру с осесимметрично расположенными анодом и катодом, выполненным в виде металлической подложки с диэлектрической вставкой

„„SU„„1022338 и вспомогательным электродом, отличающийся тем, что, с целью увеличения длительности импульса тока пучка электронов, вспомогательный электрод выполнен в виде размещенного коаксиально с подложкой металлического цилиндра, отношение диаметра которого к диаметру подложки заключено в пределах О,! — 0,03, при этом торцы подложки и вспомогательного электрода лежат в одной плоскости, диэлектричвская вставка выполнена толщиной, удовлетворяющей соотношению

cI< ИЭ/20, где D — расстояние между анодом и вспомогательным электродом; - диэлектрическая проницаемость материала вставки, а обращенная к аноду поверхность диэлекВ трической вставки покрыта слоем вещества с работой выхода «3эВ.

1022338 содержащий герметичную камеру с осесимметрично расположенными в ней анодом и катодом, выполненным в виде металлической подложки с диэлектрической вставкой и вспомогательным электродом (2) . В этом устройстве анодом является прозрачная для электронов металлическая фольга из бериллия или металлическая сетка с высоким коэффициентом прозрачности, а на поверхность диэлектрической вставки уложена металлическая сетка. Диэлектричес- 45 кая проницаемость вставки составляет Е "210. При подаче импульса напряжения на диод, оно распределяется между двумя конденсаторами С, и С . Первый конденсатор образован металлической подложкой и металлической сеткой, а второй — металли- g0 ческой сеткой и анодом. Напряжение на первом конденсаторе С1 определяется по формуле

= g. +юv.a (1) где U — напряжение на диоде;

d.,c — толщина и диэлектрическая прони- -"> цаемость диэлектрической вставки; а — зазор между анодом и металлической сеткой.

Устройство относится к сильноточной электронике и может найти применение в ускорительной технике, термоядерных исследованиях, технике генерации СВЧ колебаний, возбуждаемых в волноводе электронным пучком, и в других областях техники, где используются сильноточные электронные пучки.

Известен высоковольтный диод, содержащий вакуумную камеру, проходной высоковольтный изолятор, катодный узел и анод, прозрачный для электронов (1). При этом катодный узел состоит из катодной ножки, в которую вворачивается по резьбе металлический катод. При подаче на диод импульса высокого напряжения от генератора импульсного напряжения на катоде формируется катодная плазма, являющаяся эмиттирующей поверхностью. Этот диод хорошо работает при средней напряженности электрического поля в зазоре между анодом и катодом, равной 400 кВ/см. Для получения такой напряженности электрического поля необходимо подавать на диод импульсы напряжения амплитутой 500 кВ при средних зазорах между анодом и катодом 1 см.

Недостаток этого устройства состоит в небольшой длительности импульса тока пучка электронов. Максимальная длительность импульса тока пучка электронов определяется максимальным временем замыкания плазмой промежутка между анодом и катодом.

Скорость движения катодной плазмы, как правило, лежит в интервале (4 — 8) 10 см/с.

При этом максимально возможная длительность импульса тока пучка электронов для величины зазора между анодом и катодом

=1 см не превышает 250нс.

Известен также высоковольтный диод, 5

2з

Зо

При подборе параметров Я, U, d, а можно получить напряжение на емкости С1, при котором может развиться незавершенный разряд по поверхности диэлектрика. Условие зажигания разряда определяется формулой

U >Usm (2) где Ц вЂ” пороговое напряжение зажигания разряда; /с — напряжение на конденсаторе С .

В этом диоде скорость движения катодной плазмы в сторону анода для многих материалов диэлектрической вставки составляет

Ч1 — (2 — 8) ° 10 см/с. Следовательно, максимально возможная длительность импульса тока пучка электронов, определяемая по форм ле

У и= у, (3) где Do — зазор между анодом и катодом;

V — скорость движения катодной плазмьч в сторону анода, при зазоре 1 см не превышает величины

-500 нс.

Недостаток этого устройства состоит в небольшой длительности импульса тока пучка электронов.

Цель изобретения — увеличение длительности импульса тока пучка электронов.

Указанная цель достигается тем, что в высоковольтном диоде, содержащем герметичную камеру с осесимметрично расположенными в ней анодом и катодом, выполненным в. виде металлической подложки с диэлектрической вставкой и вспомогательным электродом, последний выполнен в виде размещенного коаксиально с подложкой металлического цилиндра, отношение диаметра которого к диаметру подложки заключено в пределах 0,1+0,03, при этом торцы подложки и вспомогательного электрода лежат в одной плоскости, диэлектрическая вставка выполнена толщиной, удовлетворяющей соотношению

d е D/20, где D — расстояние между анодом и вспомогательным электродом; а — диэлектрическая проницаемость материала вставки, а обращенная к аноду поверхность диэлектрической вставки покрыта слоем вещества с работой выхода йЗэВ.

В этой конструкции при подаче импульса высокого напряжения на диод возникает равномерный скользящий разряд между цилиндрическим электродом и краями металлической подложки на поверхности слоя вещества с работой выходац (3 эВ. Этот разряд представляет собой эмиттер электронов, из которого под действием электрического поля производится токоотбор электронов. Скорость движения катодной плазмы в сторону анода в такой конструкции диода уменьшена по сравнению со скоростью в прототипе, что позволяет увеличить время от начала разряда до закорачивания катодной плазмой промежутка между ано1022338 дом и катодом. Последнее приводит к увеличению максимально возможной длительности импульса тока пучка электронов без увеличения зазора между анодом и катодом.

На фиг. 1 схематично показано предлагаемое устройство; на фиг. 2 — зависимости порогового напряжения зажигания разряда по поверхности слоя вещества от диаметра диэлектрической вставки.

В устройство входят металлическая под- 1О ложка 1, диэлектрическая вставка 2, слой

3 вещества с работой выхода ч 3 эВ, цилиндрический вспомогательный электрод 4, анод 5, проходной изолятор 6, вакуумная камера 7.

Диод можно рассматривать как систему 15 паразитных емкостей С„С, С конденсаторов.. Конденсатор с емкостью С,1 образован анодом 5 и цилиндрическим электродом

4, конденсатор с емкостью С вЂ” обращенными одна к другой торцовыми,поверхностями цилиндрического электрода 4 и металлической подложкой 1, конденсатор с емкостью С вЂ” обращенными- одна к другой боковыми поверхностями цилиндрического электрода и металлической подложки.

В предлагаемом устройстве емкость С 25 мала по сравнению с С> и ею в расчете амплитуды напряжения можно пренебречь.

Емкости С и C соединены параллельно, поэтому их общая емкость рассчитывается по формуле

Емкости С и С. определяются по формулам

С,,=-„- (5)

Я ss

С- ;,, (6)

gpR(/Rg

35 где 6„е,а, — диэлектрическая проницаемость вакуума, диэлектрической вставки 2 и слоя 3 вещества;

6,9 — площадь н толщина цилиндрического электрода 4; 40

d. — толщина - диэлектрической вставки 2;

R,/К вЂ” отношение радиусов металлической подложки 1 и цилиндрического электрода.4.

При реальных геометрических парамет- 45 рах диода: 1=1 мм;фй — — 10 — 30; Е=2 — 10;

6-1; S=15 мм2, и d, удовлетворяющем условию —.(D — расстояние анод — встава вв

20 ка), С ъ Сз . (7) 50

Так, при Е=2, Е =10 и В=10мм из условия д<ф получаем величину d равную 1 и 5 мм соответственно. Подставляя значения d =

=1 мм при Е =2 и 4=5мм при a=10; 1=

=1мм; S=12 мм ;Гп — — 10;

/=0016

Слой вещества с работой выхода ср ЗэВ. необходим для получения одйородного скользящего разряда между торцом цилиндра

4 и краем подложки !. Эксперименты показали, что можно исйользовать в качестве материалов этих веществ, например, окись или закись бария, у которых работа выхода "-2 эВ. Этот слой, как следует из урав.нения Фаулера-Нордгейма, позволяет получить требуемое для разряда количество автоэлектронов при относительно небольшой напряженности электрического поля.

Устройство работает следующим образом.

При подаче импульса напряжения на диод оно распределяется между двумя конденсаторами. Напряжение на конденсаторе с емкостью С может составить несколько киловольт, что достаточно для зажигания скользящего разряда. При напряжении на диоде 0=200кВ; 6 =2мм; 0=10мм; Я=4 получает напряжение на конденсаторе с емкостью С -10 кВ. Этого напряжения достаточно для зажигания разряда при диаметре диэлектрической вставки и диаметре цилиндрического электрода 45 мм; На фиг. 2 приведены зависимости порогового напряжения зажигания разряда по поверхности слоя вещества с работой выхода ч 43эВ от диаметра диэлектрической вставки при диаметре цилиндрического электрода 45 мм.

При натяжении на конденсаторе с емкостью

С, удовлетворяющем условию

С2 аг и (9) где 1 1„, — пороговое напряжение зажигания скользящего разряда; — напряжение на диоде;

D — зазор между анодом и цилиндрическим электродом;

Е4 — диэлектрическая проницаемость и толщина вставки, будет сформирован скользящий разряд. Под действием электрического поля между катодом и анодом ток электронов отводится в сторону анода. Поскольку анод является прозрачным для электронов, пучок проходит сквозь него и используется далее. При проведении экспериментов было выявлено, чтодля работоспособности такого диода (формирования катодной плазмы и токоотбора) необходимо выполнить условие

1.:Д, (10) где D — зазор между анодом и цилиндрическим электродом;

d,E- толщина и диэлектрическая проницаемость диэлектрической вставки.

Кроме того, необходимо, чтобы диаметр цилиндрического электрода был меньше диаметра диэлектрической вставки в 10—

1022338

Составитель А. Захаров

Редактор А. Ворович Техред И. Верес Корректор Г. Огар

Заказ 4073/50 Тираж 845 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП «Патент», г. Ужгород, ул. Проектная, 4

30 раз. Этот параметр находится в непосредственной связи с зависимостью, приведенной на фиг. 2. При невыполнении этих условий скользящий разряд переходит в искровой канал, что уменьшает величину электронного тока из-за уменьшения площади, эмиттирующей электроны.

В предлагаемом устройстве катодная плазма расширяется в сторону анода с некоторой скоростью V, определяемой параметрами плазмы. При этом плазма имеет и вторую компоненту скорости вдоль слоя вещества с работой выхода 3 эВ. Эта скорость определяется разрядным током и энергией электрического поля конденсатора с емкостью С . Как показывают измерения, скорость катодной плазмы в сторону анода составляет для окиси бария V 10зсм/с, а для закиси бария V- 8.104см/с. Измерения величины V, проводились по методике закорачивания диода плазмой. Для этого устанавливался некоторый зазор D между анодом и цилиндрическим электродом, при котором время закорачивания плазмой промежутка между анодом и катодом меньше длительности импульса напряжения на диоде. Когда плазма закорачивает диод, в форме импульса напряжения наблюдается характерный излом. Определяя по осциллограмме импульса напряжения время от начала формирования плазмы до момента излома, можно определить время закорачивания диода катодной плазмой. Зная расстояние D между анодом и цилиндрическим электродом и время закорачивания диода плазмой, определяем скорость движения катодной плазмы в сторону анода

»з

D где t — время закорачивания диода плазз мой.

Из измерений и вычислений следуют зна10 чения скоростей V>, указанные выше.

В прототипе максимальная длительность импульса тока не превышает величины

-0,5 мкс, тогда как в предлагаемом устройстве это время может составлять величину

10 мкс при зазоре между анодом и катодом = 1 см. Следовательно, предлагаемое устройство позволяет увеличить длительность импульса тока пучка электронов в

20 раз по сравнению с прототипом.

В опытных образцах катодных узлов металлическая подложка была выполнена из меди, а материалом диэлектрической вставки служил винипласт (E,"4) толщиной 3 мм.

Анодом служила бериллиевая фольга. Слой вещества с работой выхода « ЗэВ был вы25 полнен из окиси бария. При напряжении на диоде 200 кВ получен электронный ток длительностью б мкс при зазоре между анодом и катодом =1 см при давлении остаточного газа в вакуумной камере диода

Р-10 в торр.