Способ создания сильноточного электронного пучка

 

Изобретение относн-гея х SJiesrpo- кике больших мощностей и может бьзть использовано в электрон(ШХ вйкуумньгк, приборах. Цель изобретения - сшшанке токовмй и энергетических потерь к повышение технико экоиомической зМ ЭК- тивноети,реализации способа. Электройиый пучок 3 эмиттируется катодом и ускоряется в направлении анод 2, Внутри катодного узла 1 установлен инжектор малых частиц (МЧ), выпо лненг ый в Btwe камеры с мелкодисперскым порошком. Камера связана с устройством 6 для перемещения МЧ. В описании прьгведено соотнотенне для определения размеров и зещества МЧ. Ионизация bW осуществляется при соударениях с электронами сильноточмого электронного (СЭП) . Иониз1фованныв ЬН служат для нейтрализации СЭП. Расположение инкеяторй МЧ внутри катодного узла обеспечивает возможность Формкрозакия распределанксй мигоени в облгстн зчртузльного катода, исключая потери ТОКИ к энергии пучка. Распределенная мкше: ;ь формируется методом осьш-э.ник либо путем предания МЧ механического импульса. Изменение времени включения и выключения инкектора относительно импульса СЭП позволяет задать расположение распределеннсй и требуемую ее протяженность на любом участке СЭП во время рабочего импульса. 1 з., 3 иЛб 4 Од 00 сл ;0

ОПИСАНИЕ ИЗОЬРЕ ГЕНИЯ

Н A BTGPCHGMY СВИДЕТЬ"!ЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

re ДЕЛМЫ ИЗОЕжТБжй И ОТНР1.!ТИ (46) 30,08.91, Бк. в ",2 (21) 4221749/21 (22) 06.04.87 (71) Ленинградский полнтехн";-,.:.а - .й институт им.И.И.Калинина (72) О.!О.Цыбин (53) 621. 384. 6 (088 ..8) (56) Икллер Р. Введение в физику силькоточных пучков заряхеннжк частиц. И.: Иир, 1984.

Авторское свидетельство СССР

У 708544, кл. Н 05 Н 5/00, !9"7. (54) СПОСОБ СОЗДАНИЯ (ЖЛЪНО7,"РйОГО

ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА (57) Изобретение относится х электронике больших мощностек к может быть использовано в электронных вакуумная приборах. Цель изобретения — снижение токовых и энергетических потерь и повьааение технико-экономической э зк— тивностч,реализации способа. Электронный пучок 3 эмиттируется катодом и ускоряется в направлении анода 2.

Внутри катодного узла 1 установлен ижкектор малых частиц (ИЧ), выполиен-лй в виде каммеры с мелкодксперскым

",опошком. Камера связана с устройствсм 6 для перемещения ИЧ. В описании кведено соотношение для определени: размеров и вещества ИЧ. Ионкза;;,чя ?R осуществляется при соудареннях с злектронамк скльноточного электро:.ного пучка (СЭП). Ионнзкрованные

ИЧ слухах для нейтрализации СЭП. Рас" положение кнкектора ИЧ внутри катодного узла обеспечивает возмояность формирования распределеннсй мишени в обл .стк в:.ртузльного катода, исключал потери тока ."". энергии пучка. Распределенная мише".:ь формируется методом ось ;пения либо путем придания ИЧ мехапкческого импульса. Изменение времени вклю ения н выключения инжектора относительно импульса СЗП позволяет задать располокенне распределенной мишени и требуемую ее протяженность ка любом участке СЗП во время рабочего импульса. 1 э.п.ф, 3 ил.

1438591 нарастает от О до 1, собственное поле ПЗ падает до нуля. Колебания ионного фоил подавлены из-за черезвычайно высокой массы ионов. Поскольку плазмообразующая среда отсутствует в объеме ЭПВ всюду, кроме объема СЭП, электрическое поле при f 1 соответствует в зазоре катод — анод решению уравнения Лапласа, в котором наличие виртуального катода невозможно.

Поток вторичных электронов из прикаO îäèoé области увеличивает первеанс источника.

Расположение инжектора МЧ внутри катодного узла обеспечивает возможность формирования распределенной мишени в области виртуального катода, который существовал бы в отсутствие этой мишени, вызывая потери тока и энергии пучка.

Изобретение относится к электронике больших мощностей, в частности к электронным вакуумным приборам (ЭВП) с сильноточным электронным пучком (СЭП), Целью изобретения является снижение токовых и энергетических потерь,,повышение технико-зкономической эф1 фективности реализации способа за счет подавления колебаний нейтрализующих ионов.

На фиг. 1-3 приведены конструкции катодных узлов с инжекторами (инжекторы на фиг. 1 и 2 основаны на осыпании порошка в источниках

СЭП с вертикальной осью, инжектор г на фиг. 3 рассчитан на применение в источнике с горизонтальной осью).

Устройство для реализации способа содержит катодный узел 1, анод 2..

Электронный пучок 3 эмиттируется катодом и ускоряется в направлении ., анода 2. Внутри катодного узла 1 установлен инжектор малых частиц, выполненный в виде камеры 4 с мелкодисперсным порошком 5, связанной с устройством б для перемещения малых

; частиц (МЧ).

° °

В соответствии с предлагаемым способом плазмообразующая среда в . виде распределенной мишени состоит из МЧ. МЧ называются частицы вещества, размер которых лежит в пределах от сотых долей микрометров до десят, ков микрометров, они могут быть изготовлены из самых разнообразных веществ: металлов, диэлектриков, полупроводников, полимеров и др. Масса

1 -9 ИЧ достигает значений 10 r и более . т.е. она на.3...10 порядков и более превышает массу атома. Распределен, ная мишень из МЧ к началу импульса

СЭП расположена в части объема пуч ка и не выходит из этого объема„ так ,как МЧ практически неподвижны в течение рабочего импульса. Проводимость 6, плазмообраэующего канала в поперечном направлении близка к нулю, что исключает радиальный пробой СЭП и, собственно, токовые и энергетические потери в поперечном направлении.

Ионизация МЧ осуществляется при соударениях с электронами СЗП и уходе вторичных электронов из объема распределенной мишени, коэФфициент зарядовой нейтрализации f при этом

Инжектор, установленный внутри катодного узла, формирует плазмообраэующую среду путем встрела МЧ сквозь отверстия, находящиеся на эмиттирующей поверхности или вблизи нее..При этом пла:менный канал направлен вдоль пучка на катод, т.е. он закорачивает продольное электрическое поле пространственного заряда вдоль СЭП, подавляя виртуальный катод.

В определенном интервале размеров частиц порошки из МЧ обладают сыпучестью в вакууме, что позволяет формировать распределенные мишени методом осыпания.

Кроме метода осыпания можно формировать мишень путем придания МЧ меха4О нического импульса. В первом методе начальная скорость МЧ равна нулю, во втором устанавливается равной требуемому ненулевому значению.

Устройство для перемещения МЧ в

-.направлении к эмиттирующей поверхности содержит узел, связанный через вакуумный высоковольтный зазор с источником сигнала, находящимся под нулевым потенциалом. Канал связи может быть оптическим„ электромагнитным в

59

СВЧ-диапазоне, магнитостатическим, механическим с диэлектриком и служит для передачи маломощного сигнала от источника. Источник энергии находит« ся либо под нулевым потенциалом, ли. бо установлен на высоковольтной линии, например внутри катодного узла в устройстве для перемещения МЧ. Это устройство включает в себя, кроме то3 1ч 385 го, электромагнит.для создания вибраций или удара, или вращающийся на оси диск (см. Фиг. 1-3), илн иное электромеханическое приспособлени, например, пьезокерамику, динамический конденсатор.

Изменение времени включения и выключения инжектора относительно импульса СЭП позволяет задать расположение распределенной мишени и требуемую ее протяженность иа любом участке СЭП во время рабочего импульса.

В соответствии с предлагаемым способом размер частиц d определяет- 15 ся условием где д„„„ 10 мкм " наименьше - . зна- М

;чение размера, определяемое сг:,-":ства ми порошка, конструкцией инжект- . и катодного узла, параметрами СЭП.R — глубина проникновения элек ро;нов в вещество порошковой мишени (и)„ 2Á ! 1

P 10 - 10 . — эмпирический коэффициент, определяемый свойствами вещества порошковой мишени, парайетрами СЭП, допустимыми потерямн энергии в мишени. ЗО

Типичные значения параметров СЭП

1. . определяются энергией электронов E = м 10г — 10з кэВ, работой,в режиме единичных импульсов тока I 10 Л, длительностью с„ = 10 -10 с. При и этом значение R составляет несколько десятков или сотен микрометров в зависимости от свойств вещества порошковой мишени: R = 10-10 мкм. 40

При заданных выше значениях коэффициента R потери энергии при прохождении электрона СЭП сквозь малую частицу, изготовленную, например, из лития или алюминия, составляет несколь- 45 ко единиц — десятков электронвольт: Е = 1,0-10 эВ. л л,с (3)

Ьм а "0 -(ам Ф Ь р ) юйьавииер, выбором постоянной времени жМЮмкных деталей иижектрря, Концентрация частиц мишени и (1/м ) определяется соотношением М .м

a — — — > (2)

2спе 2rE п,р м - С 1,,1з где коэффициент допустимых потерь 55 энергии электронов в мишени .Е - энергия электронов падаюшуак на мишень (кэВ);

91

С, - QyHIcups pacnpepeëeíHR и терь Энергии электронов по глубине образца, известная для разных неществ в широком интервале энергий (кэВ/м);

1„ - размер -.-1шени вдоль оси СЭП (+) 9

n, - конце::ò".ðàöíÿ ионов на малой частице (1/м );

- концентрация электронов CM (1/и ?, Ограйичение снизу в выражении (2? получено нз условия полной нейтрализации ПЭ, сверку - исходя иэ допустимых потерь энергий.

Работа устройства для реализации способа происходит следующим образом.

В период подготовки помещают в камеру инжектора мелкодисперсный порошок 5, заряжают источник энергии инжектора, затеи запускают инжектор в момент t t на единичный цикл длительностью и разрывают канал с язв инжектора с источником сигнала.

+ л

В заданный момент времени, + ., определяемый постоянной времени -„, Формирования ми пени, падают импульс

СЭП. В течение рабочего импульса СЭП „ малые частицы практически неподвижны в заданном объеме нейтрализации, нейтрализация и уход вторичных электронов устанавливаются зя время

< „ й, 10 — 10 с. Во время рябочего ймпульея могут быть существенны процессы нагр =.а ИЧ мишени и их распад (испарение) на соответствующие атомы (ионы). В паузе между импульсами СЭП мишень вь1ходит из заданного, объема

В типичных установках с СЭП предлагаемое устройство позволяет осуществить, по данным испь1таиий, несколько сотен импульсов в серии без перезарядки инжектора и источника питания. Заряд источника питания, наксщящегося в катодном узле, может ее1яаествляться частью протекающего шв токовводу катодного узла импульса мажа. Источник питания инжектора, шааример аккумулятор, может находитЬ ая ка высоковольтном нноле н вакуумшув камеру вне ее.

Длительность цикла инжектора уставааливают в пределах

5 1438591

Время полной нейтрализации ЙЗ для типичных установок с СЭП составляет пмакс 2 10 см 9 откуда Выбираем П,9, 10 см . Далее в из условий (4.-6) Определяем:

4еп ga (4) =б 10 "с; 109 с ° м

5 10 с.

II

2Ф" ЬВ, и (ф ) г (5)

$E пе "7.где g - удельный заряд электрона; — отношение массы ИЧ к массе электрона

C - напряженность электрического поля.

Время нагрева ИЧ до предельнодопустимой температуры должно быть не менее длительности импульса

2ЕСМ

i. «а Ъ (б) иф 1 г- р ц 7 теплоемкость вещества ИЧ (Дж/К); плотность вещества ИЧ (кг/м ). щ нд

ВыбОР РазмеРОВ и вещестВа ИЧ, ; частиц. концентрации частиц мишени по заданньм параметрам СЭП осуществляется 4 ф О р и у л а и з О б р, т е н и „ путем совместной реализации условий (1-63 в предлагаемом способе. Определяющими яВляются услОВня (1,2), условия (3-6) менее жесткие н допускают некоторые отклонения в конкретиык условиях эксперимента.

Рассмотрим работу устройства на примере Типичного сильноточного РЭП, имеющего параметры 17 = 5 10. В, Е:=

10 А = 10 с. Вещество мишеБО ни - алюминий, размер частиц д =1мкм.

Основные данные определяют по таблицам физических величин. Значение пробега К составляет приблизительно

200 мкм, отсюда параметр Р = 5-10"9 условно (1).

Иэ условия (2) имеем: и 2 10 см ; г де j - плотность тока СЭЙ (А/м );

8> - эффективный коэффициент вторичной электройной эмиссии ИЧ мишени;

- длительность фронта импульса СЭП (с).

Время смещения ИЧ иа допустимое расстояние Д S (м) должно быть ие менее длительности импульса

Проведенные расчеты, а также эксперименты подтверждают возможносгь

15 использования предлагаемого способа.

Дополнительная аптиьнзация Определяется Bbt6opoM более пОдхОдящих ве» ществ и размеров ИЧ, например лития, слюды и других диэлектриков и т.д.

20 I.

Предлагаемый способ roree r большие перспективы применения в народном хозяйстве. В научных исследованиях, в электронной проиьппленности и знергеЖ тике данный способ позволяет повысить энергию и ток СЭП, улучшить возможности их транспортировки, повысить технико-экономическую эффективность установок, ".åíåðèpóþùèõ СЭП.

3Q Способ может быть использован также для диагностики СЭП, если Одновременно измерять характеристики излучения из распределенной мишени. Кроме того, предлагаемый спОсОб позВоляет ПОлу чать плотную плазму с высокой кон-, центрацией энергдн9 производить изучение свойств Ве ества В в е малых I. Способ создания сильноточного электронного пучка, Включающий генерацию сильноточного электронного пучка В ускорителе прямого действия с катодным узлом и нейтрализацию объемного заряда сильноточного электронного пучка,.отличающийся

Тем 9 ЧТО С Целью СНИЖЕНИЯ Токовых и энергетических потерь, повышения технико-экономической эффективности реализации способа, нейтрализацию объемного заряда сильноточного электронного пучка Осуществляют ионизированным мелкодисперсныи порошком, причем мелкодисперсный порошок ионизируют создаваемым сильноточным электронным пучком внутри катодного узла в области вертуапьного катода при пе-, 7 14385 ремеЦнин камеры с порошком вдоль осн электронного пучка.

2. Способ по п.1 о т л и ч а ю— шийся тем, что размеры частиц мелкодисперсного порошка определяют согласно соотношению

«1 мин РВв

10 где "„„„ 10 :" наименьшее значение размера, определяемое свойствами порошка, конструкцией камеры катодного узла, параметрами сильноточного эЛектронного пучка (мкм);

Й - размер частиц порошка (и)-, R — глубина проникновения эле;::" с-. ион в вещество порошковой мишени (и), P 10- - 10 - эмпирическ .t хоэффицнент, определяемый свойстэамн 23 вещества порошковой мишени, пар,:-;етрами сильноточного пучка, допус"нмыми п энергии и мишени, . а концентрацию частиц порошка Н„ определяют из соотношения 25 где f — - - w ф ициент допустиЬЕ

Е мых потерь энергии электронов в мишени;

Ь Е - потери энергии прн прохояденнн электроном сквоэь частицу порош« к0 (кэВ)1

К вЂ” энергия электронов, подающих на мишень (кэВ);

С вЂ” функция распределения потерь . энергии электронов по глубине o6pasца, для данного вещества (кэВ);

1„ — раэмер мишени вдоль оси источника (и); и„ вЂ” концентрация ионов на частице горошка (1/м ); и — концентрация электронов силье натсчного пучка (1/м );

f — коэффициент зарядовой нейтрализации пучка.

Составитель И. Зацепина

Редактор Т.Клюкина Техред А,Кравчук Корректор Я.Пилипенко

CN

Заказ 3444 .Тираж 454, Подлисное .

ВНИЙПИ Государственно о коиитета СССР по делам изобретений и открйтий

113035, Иосква, И-35, Раушская иаб;, д. 4/5 ю» Ынмйэ «ю а

Г

Производственно-полиграфическое предприйтИе, г.. Ужгород, уй.. Проектная,