Способ инициирования эмиссии заряженных частиц и управления ею

 

Использование: в электронной технике и может быть эффективно применено в устройствх, использующих явление протекания электрического тока в вакууме, плазме, газе или жидкости. Сущность изобретения: способ инициирования эмиссии заряженных частиц и управления ею включает изменение электрической напряженности в области катода (эмиттера) и примыкающего к нему пространства, создание дополнительного электростатического поля и формирование электрических зарядов в области, расположенной сзади и сбоку от катода или в нем, относительно эмиттируемых частиц, что позволило полностью или частично компенсировать запирающее действие пространственного заряда. Способ позволяет создавать электронные силовые устройства с большой тягой (более 1 т). 7 ил., 1 табл.

Изобретение относится к электронной технике и может быть эффективно применено в устройствах, использующих явление протекания электрического тока в вакууме, плазме, газе или жидкости.

Известно несколько групп устройств, в которых применяются способы инициирования и управления эмиссией, аналогичные предложенному в изобретении. Это вакуумные электронные и электрические газоразрядные приборы, устройства для генерирования ионов, плазмотроны и линейные ускорители заряженных частиц (фиг. 1). Общим для всех этих устройств является наличие катода и анода, а для многих из них - одного или нескольких управляющих электродов - сеток. Катод (эмиттер) служит источником электронов или ионов и заряжен одноименно с генерируемыми им частицами. Анод (нейтрализатор) заряжен разноименно с катодом и служит для усиления тока и поглощения заряженных частиц или вывода их из камеры. Сетка (управляющий или вытягивающий электрод) обычно заряжена разноименно с катодом и служит для увеличения эмиссии заряженных частиц. Управление эмиссией осуществляется изменением заряда (потенциала) сетки и его знака.

С целью увеличения и регулирования силы тока в этих устройствах используются следующие способы: увеличение температуры катода и его площади; уменьшение расстояния между катодом и другими электродами; покрытие катода материалами с малой работой выхода; увеличение разности потенциалов между катодом и сеткой и/или катодом и анодом.

Недостатками всех этих способов являются: относительно небольшие предельные токи, для достижения которых требуются довольно большие напряжения; значительный ток утечки через сетку в режиме усиления; относительно слабое вытягивающее (усиливающее) влияние анода и сетки на катод вследствие относительно больших расстояний между ними; необходимость создания разреженной среды или вакуума между анодом и катодом, так как наличие даже слаборазреженной среды в ионных и газоразрядных приборах (менее 10% атмосферы) приводит к значительному уменьшению тока, либо к дуговому разряду; искажение сеткой структуры пространственного заряда.

Основным способом инициирования эмиссии заряженных частиц и управления ею является создание в прикатодном пространстве электрического поля необходимой напряженности и ее изменение, достигаемое увеличением и/или изменением разности потенциалов сетки и анода относительно катода [1]. Термоэлектронные катоды должны быть при этом нагреты. Этот способ является наиболее близким техническим решением к предложенному в изобретении и поэтому он взят в качестве прототипа. Рассмотрим этот способ на примере триода, так как последний является наиболее типичным представителем электронных приборов и обладает всеми важнейшими их свойствами. На фиг. 2 приведена вольт-амперная характеристика триода, а в таблице сопоставлены сеточные и анодные токи в зависимости от напряжения на сетке. Можно выделить три режима работы триода: 1. U_a>0, U_c<0; 2. U_a>0, U_c>0 и 3. U_а<0, U_c>0. Режим, при котором U_a<=0, U_c<0 в существующих электронных приборах практически невозможен. Первый режим обеспечивает эффективное регулирование тока без потерь, однако максимально достижимый при этом ток невелик. Второй режим используется для получения наибольших токов, однако для этого требуются довольно большие напряжения, а получаемые токи не столь уж велики. Крутизна характеристики в триоде (отношение тока к напряжению) составляет несколько десятков миллиампер на вольт. Другой недостаток этого режима - заметные потери на сеточный ток. Третий режим используется для ряда преобразований, например переменного напряжения в переменный ток. Однако возможности таких преобразований ограничены малым диапазоном U_a и Ia на этом участке. Другой недостаток, как и во втором режиме, - заметные потери на сеточный ток. Для некоторых применений был бы интересен последний режим, но он практически невозможен. Все эти недостатки вызваны ограниченными возможностями способа-прототипа и характерны для большинства электронных устройств. В отдельных случаях некоторые из вышеперечисленных недостатков удается существенно снизить, используя другие способы, например введение нескольких сеток. Но при этом усиливаются другие недостатки, прежде всего энергозатраты при работе и стоимость прибора.

Целью изобретения является увеличение силы тока при тех же и меньших напряжениях на аноде и сетке и управление им, в том числе создание тока или его прекращение при давлении от нулевого до атмосферного. Другими целями изобретения являются: уменьшение потерь на токи утечки, расширение диапазона регулирования, снижение искажений структуры пространственного заряда.

На фиг. 1 - схемы электронных приборов, где а) триод; б) тиристор; в) электронно-лучевая трубка; на фиг. 2 - вольт-амперная характеристика триода; на фиг. 3 - схема распределения зарядов и напряженностей полей в триоде с катодными зарядами; где Е_р - напряженность поля пространственного заряда, запирающая катод; Е_а - напряженность, создаваемая анодом; Е_с - напряженность, создаваемая сеткой; Е_к - напряженность поля катодных зарядов; на фиг. 4 - схема распределения зарядов в диоде; на фиг. 5 - схема электронного прибора с электростатическим эльзером; на фиг. 6 - схема электронного прибора с электродинамическим эльзером; на фиг. 7 - схема электронного генератора силового поля с пьезоэлектрическим эльзером.

Цель достигается воздействием на катод и прикатодное пространство электрического поля, создаваемого системой зарядов, расположенных позади, сбоку, внутри и/или на катоде (фиг. 3) и называемых далее катодными. Эти заряды могут быть стационарными и/или динамическими. Стационарный заряд расположен на твердотельной поверхности или внутри нее, причем эта поверхность может быть фиксированной на определенном месте или перемещаемой. Форма этой поверхности может быть постоянной либо переменной. Динамический заряд располагается в газе или в жидкости и представляет собой плазму или совокупность заряженных частиц в виде облака или движущегося пучка частиц.

Для увеличения силы тока предложенным в изобретении способом в области, расположенные позади, сбоку или внутри катода, подаются заряды, одноименные с ним. Тогда создаваемое ими электростатическое поле полностью или частично компенсирует действие запирающего электростатического поля пространственного заряда, отпирает катод и тем самым увеличивает силу тока. Так как эти заряды одноименны с катодом, то они могут быть расположены много ближе к нему, чем сетка, анод и даже пространственный заряд. К тому же они могут быть много больше, чем заряд на сетке или аноде, так как они не разряжаются эмиссионным током. Поэтому они создают поле, чье усиливающее (отталкивающее) воздействие много больше, чем усиливающее (вытягивающее) действие поля анода и сетки. Если напряженность создаваемого этими зарядами поля полностью компенсирует напряженность поля, создаваемого пространственным зарядом, то предельная величина тока ограничивается только эмиссионными возможностями катода, то есть практически может быть сколь угодно большой. При этом напряжение на аноде может быть небольшим, а сетка может вообще отсутствовать.

Так как эти заряды расположены вне области пространственного заряда, то они не оказывают на его структуру деформирующего воздействия подобно сетке или управляющему электроду.

Использование этого способа существенно сдвигает вольт-амперную характеристику влево (фиг. 2), поэтому второй режим U_а>0, U_c>0 становится возможным при малых напряжениях на сетке, без сетки и даже при небольших отрицательных напряжениях на сетке. При этом анодный ток будет много больше, чем без этого способа, а напряжение на аноде можно иметь меньшее. Первый режим (U_а>0, U_с<0) обеспечивает регулирование в много более широком диапазоне токов и напряжений. То же относится и к третьему режиму (U_а<0, U_с>0), при этом диапазон анодных токов и напряжений существенно увеличивается, а напряжение на сетке можно уменьшить, что приведет к снижению токов утечки. Более того, становится реально возможным последний режим (U_c<0, U_а<0), практически недостижимый при других способах.

Вследствие того, что предложенный способ позволяет полностью или частично компенсировать запирающее действие пространственного заряда, его применение будет весьма эффективно в сильноточных приборах тлеющего разряда, в том числе при давлении порядка атмосферного.

Регулирование силы тока в предлагаемом способе осуществляется путем изменения величины и/или знака одного, нескольких или всех зарядов, а также путем изменения их месторасположения относительно катода. Этот способ может использоваться как совместно с известными способами изменения тока, так и вместо них.

В настоящее время создание сильноточных электронных устройств является довольно сложной технической задачей, а при наличии ограничений на использование больших напряжений считается невозможной. Проблема состоит в ограничениях, выдвигаемых законом Чайлда-Ленгмюра, по которому: I_o= · · · U^3/2 = 2,33 · 1 · · U^3/2, (1) где I_о - ток; ε_o - электрическая постоянная; е - заряд электрона; m - масса электрона; U - разность потенциалов между катодом и вытягивающим электродом (анодом); S - эффективная площадь катода;
z - расстояние между катодом и вытягивающим электродом (анодом).

Действительно, напряжение U практически ограничено 100 кВт, так как выше тлеющий разряд переходит в искровой, расстояние z должно быть достаточно большим, чтобы не возникло пробоя между катодом и вытягивающим электродом (анодом) и площадь S тоже не может быть очень большой.

Однако при выводе закона Чайлда-Ленгмюра не был учтен один фактор, а именно наличие зарядов на катоде и около него. Повторим вывод этого закона с учетом данного фактора. Рассмотрим плоский диод, изображенный схематически на фиг. 4. В таком диоде при достаточно большой площади S поверхностей катода и анода боковым эффектом искажения электрического поля можно пренебречь. Тогда потенциал изменяется только по оси Z, нормальной к плоскостям электродов, а электрическое поле направлено по той же оси. Обычно считают, что напряженность поля у поверхности катода в плоскости ef равна нулю. Однако это справедливо только в том случае, если заряд на катоде заведомо меньше пространственного заряда между катодом и анодом. Если же подать достаточно большой заряд на катод и дополнительно создать заряд внутри него (и/или рядом с ним), то плоскость нулевой напряженности сдвинется влево и займет положение ab. Применяя теорему Гаусса-Остроградского к заряду Q внутри объема abcd, получим:
Е_о ˙S=Q ˙ ε_o , (2) где Е_о - напряженность поля в плоскости cd.

Заряд Q состоит из заряда Q_r, расположенного на катоде и внутри него правее плоскости и пространственного заряда Q_о. При прохождении между катодом и анодом постоянного тока I_о заряд Q_о определяется электронами, вылетевшими из катода в течение времени t_о, равного времени пролета электронов от катода до плоскости cd, имеющей координату z:
Q=Q_r+I_o ˙t_o . (3)
Для электронов, находящихся в плоскости cd, уравнение движения имеет вид:
m ˙d² z/dt_o²=e ˙E_o . (4)
Подставляя значение Q и определяя Е_о, получаем:
= · + · . (5)
Интегрируя это уравнение в предположении, что при z=0 скорость электронов равна нулю, получаем формулы для определения скорости и пути электронов:
V = · · + · , (6)
Z = · · + · · . (7)
Для удобства расчетов введем коэффициент, определяющий отношение катодного заряда к пространственному:
ζ = (8) и подставим Q_r= ζ ˙ I_o˙ t_o в (6) и (7):
V = · · · (1+2ζ), (9)
Z = · · · (1+3ζ). (10)
Учитывая, что в рассматриваемом случае
V = , (11) где U - потенциал в точке определения скорости v, то, поделив (10) на (9), получим выражение для времени пролета электронов:
t_o= · = χ · = 5·10^-8·χ· [C], (12) где χ = (1+2ζ )/(1+3ζ ) и принимает значения в интервале [1, 2/3] при изменении ζ в интервале [0, ∞ ], z измеряется в [см], а U в [B]. Подставляя значения (11) и (12) в (9), получим следующие выражения:
I_o· χ · (1+2ζ) = · · · U^3/2; (13)
I_o· χ + · · · = · · U^3/2;
I_o= -3,95·10⁷· · · + 2,33·10^-6· · · U^3/2. (14)
Таким образом формула (14) выражает зависимость тока I_о от потенциала U и катодного заряда Q_r. Знак "-" перед Q_r появился из-за того, что в электричестве принято направление тока от плюса к минусу.

В большинстве современных электронных приборов Q_r ≈0 иχ ≈ 1 и для них величина тока, рассчитанная по формуле (14), практически совпадает с результатом формулы (1) - законом Чайлда-Ленгмюра. Однако предложенный в изобретении способ позволяет создавать устройства, в которых Q_r будет существенно больше нуля и, следовательно, в которых будут протекать большие токи.

Рассмотрим примеры таких электронных устройств.

П р и м е р 1. Коронный разряд на металлической поверхности возникает при плотности заряда ρ >=2,65 ˙10^-9 Кл/см². Если поверхность отполировать и покрыть изолятором, то предельная плотность заряда будет существенно выше. На фиг. 5 изображен электронный прибор, в котором позади-сбоку катода добавлен принципиально новый электрод - эльзер (электронное зеркало), заряженный одноименно с катодом. В данном примере взят электростатический эльзер, который представляет собой пакет металлических, покрытых изолятором дисков, расположенных на одной оси с катодом. Внутренний радиус диска R_о=5 см, внешний - R_r= 7 см, число дисков в пакете N=5, средняя плотность ρ =2,5 ˙10^-9 Кл/см². Тогда на этих дисках можно разместить заряд Q_э= π ˙ ρ n(R_r²-R_o²)= 8 ˙ 10^-7 Кл. Считая, что Q_r=0,5 Q_э и для U=1600 В, z=5 см и S= 150 cм² по формуле (14) получим:
I_о=254+1,0 ≈ 255 А
Без эльзера величина тока в этом приборе была около одного ампера, таким образом, удалось увеличить ток в сотни раз.

П р и м е р 2. Электронный прибор с электродинамическим эльзером. Катод представляет собой цилиндрическую полую трубку, изолированную изнутри и покрытую снаружи материалом с малой работой выхода, например ВаО. Один конец трубки закрыт металлическим диском, соединенным с катодом через высокоомное сопротивление. На катод подано отрицательное напряжение, несколько меньшее необходимого для автоэлектронной эмиссии. Внутрь катода направлен постоянный поток (пучок) электронов, поддерживающий внутри катода и на катоде заряд Qr=10^-7 Кл. Тогда при катоде с внешним радиусом Rk=1,6 см, длиной L=10 см при z=1 см и U=100 В получим:
I_o=40+0,23 ≈ 40 А
Т. е. ток возрос в 160 раз. Меняя интенсивность пучка, можно управлять током вплоть до его прекращения.

П р и м е р 3. Электронный генератор силового поля с пьезоэлектрическим эльзером. Это устройство позволяет преобразовывать электрическую энергию в силу, в т.ч. в тягу (фиг. 5). В качестве анода используется заземление или нейтрализатор. На катод подано напряжение U=-5 кВ, длина камеры z=1 м, радиус камеры R_r=25 см, радиус катода Rk=10 см. Эльзер изготовлен из пьезоэлектрического материала с объемным пьезомодулем dv=5 ˙10^-10 Кл/н, скорость истечения рабочего тела (воздуха) из камеры V_o=125 м/с. Сила, развиваемая таким генератором, рассчитывается по формуле
F=k ˙I_o ˙Q_r/V_o ˙ γ , (15) где k=1/4 π ε_o =9 ˙10⁹;
γ - геометрический параметр камеры, равный 0,5 м.

Решая совместно уравнения (14) и (15) и учитывая, что Q_r=dv ˙F, получаем
I_o=14 A,
F=1000 H.

Этот пример показывает, что предложенный в изобретении способ позволяет создавать электронные силовые устройства с большой тягой. Способ позволяет полностью компенсировать запирающее действие пространственного заряда, отпирать катод и обеспечивать высокий эмиссионный ток в воздухе. Важная особенность таких устройств - высокий КПД преобразования энергии в силу, больший 90%, в то время как у применяемых сегодня механических силовых устройств КПД меньше 15%.

Главное отличие предлагаемого способа от прототипа состоит в том, что заряды, создающие поле, помещаются сзади, сбоку, внутри и/или на катоде относительно движения эмиттируемых частиц, а не перед ним. Как показывает расчет, предложенный способ позволяет увеличить силу тока в десятки и сотни раз по сравнению с прототипом. Знак катодных зарядов всегда противоположен знаку зарядов на применяемых электродах, выполняющих те же функции. Особенность предложенного способа состоит в том, что если используемые сегодня электроды всегда твердотельны (кроме катода) и фиксированы, то здесь заряды могут размещаться на перемещаемых поверхностях и даже представлять собой пучки заряженных частиц.

Зависимость анодного и сеточного токов триода от величины напряжения на сетке показана в таблице.

Формула изобретения

СПОСОБ ИНИЦИИРОВАНИЯ ЭМИССИИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ И УПРАВЛЕНИЯ ЕЮ, включающий изменение электрической напряженности в области катода (эмиттера) и примыкающего к нему пространства, отличающийся тем, что, с целью создания и регулирования тока, создают дополнительное электростатическое поле и формируют электрические заряды в области, расположенной сзади и сбоку катода или в нем, относительно эмитируемых частиц.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7