Источник сильноточных электронных пучков

 

Использование: физика электрического разряда в вакууме (в искровой и дуговой стадии разряда). Источник сильноточных электронных пучков содержит холодный катод из высокотемпературного сверхпроводника - Y - Ba - Cu - O. 2 ил.

Изобретение относится к физике электрического разряда в вакууме.

Известны источники сильноточных электронных пучков - металлические холодные катоды, в том числе сверхпроводящие.

Такие катоды позволяют получать сильноточные электронные пучки только в искровой стадии разряда, а в дуговой стадии разряда электронные потоки практически полностью релаксируют на расстоянии порядка 10^-4 см от катода и не доходят до анода, который в дуговой стадии разряда практически не разрушается.

Целью изобретения является получение сильноточных электронных пучков в искровой и дуговой стадиях разряда.

Это достигается применением известных высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) в качестве источника сильноточных электродных пучков.

В предложенном устройстве плазма дуги прозрачна для электронных потоков и они доходят до анода в искровой и в дуговой стадиях разряда. Это обеспечивает соответствие критериям "новизна" и "существенные отличия".

На фиг.1 показан анод после электрического разряда в вакууме; на фиг.2 - эрозионное пятно на ВТСП-катоде после электрического разряда в вакууме.

В экспериментах использовали ВТСП-катоды состава Y-Ba-Cu-O, в качестве анода - вольфрамовые электроды диаметром 0,1 мм и 0,2 мм. Между ВТСП-катодом и анодом устанавливали зазор d 100 мкм. В качестве датчика сверхпроводимости использовали магнитную стрелку от компаса, установленную на немагнитной игле от этого же компаса. Магнитную стрелку устанавливали так, чтобы один ее конец касался поверхности ВТСП-катода. Переход ВТСП-катода в сверхпроводящее состояние наблюдали визуально. В момент перехода в сверхпроводящее состояние между ВТСП-катодом и магнитной стрелкой возникал зазор 1-2 мм (эффект Мейсснера). При переходе из сверхпроводящего состояния в нормальное зазор исчезал. Датчик сверхпроводимости устанавливали приблизительно на расстоянии 1 см от места разряда.

ВТСП-катод предварительно переводили в сверхпроводящее состояние. После этого на промежуток между ВТСР-катодом и анодом подавали постоянное напряжение.

В качестве ВТСП-катодов использовали два разных образца состава Y - Ba - Cu - O. В первом случае разряды происходили при напряжениях 150 - 250 В, разрядный ток достигал I 1 A. При этом выгорало 3 - 5 мм вольфрамового электрода с образованием шарика на конце (см. фиг.1). В момент разряда сверхпроводимость исчезала и возникала вновь через 10 - 100 с после разряда. На ВТСП-катоде возникало эрозионное пятно диаметром d ≈ 1 мм, вокруг которого наблюдался кольцеобразный налет вещества анода. Этот налет легко удалялся при прикосновении, и с течением времени осыпался. В результате разрядов ВТСП-катод терял порядка 10^-4 - 10^-3г вещества и анод терял порядка 10^-4 - 10^-3 г вещества. Для испарения 10^-4г вольфрама требуется энергия Е > 1 Дж. При указанных напряжениях и токе такая энергия может быть передана аноду за время t > 0,01 с.

С другой стороны в адиабатическом режиме разлета катодного факела скорость движения передних слоев V_max определяется из соотношения [1]: U_max = , где γ - показатель адиабаты (для одноатомного газа γ = ); ε_o - энергия сублимации.

Считая энергию сублимации ВТСП-катода ε_o = 10³ - 10⁴ Дж/г, получим V_max > 10⁵ см/с. Отсюда грубо можно оценить время искровой стадии разряда. Оно составит t < 10^-7 с. Энергия, переданная аноду электронным пучком за это время, не превышает 10^-5 Дж. Этого не достаточно для испарения 10^-4 г вольфрама. Значит основная масса анода была разрушена в дуговой стадии разряда, т.е. плазма дуги была прозрачна для электронного пучка.

При использовании в качестве ВТСП-катода другого образца состава Y - Ba - Cu - O разряд происходил при напряжении U ≈ 400 В, ток достигал I 10 A. В момент разряда сверхпроводимость также исчезала и возникала вновь через t < 10 с после разряда, т.е. не смотря на большее энерговыделение в разряде сверхпроводимость восстанавливалась быстрее, чем в первом случае. В результате разряда в области эрозионного пятна ВТСП-катода откололось несколько мелких кусков образца, поэтому оценить потерю массы катода не удалось. В результате разряда испарилось порядка 10^-3 г вольфрамового анода, наблюдались следы плавления на медном держателе анода и следы разрушения на изоляторе, в котором крепился медный держатель вольфрамового анода. Очевидно, что за искровую стадию разряда электронным пучком была передана аноду энергия порядка 10^-4 - 10^-3 Дж. Этой энергии не достаточно для испарения 10^-3 г вольфрамового анода, т.е. и в этом случае основная масса анода была разрушена в дуговой стадии разряда.

Для сравнения проводили многочисленные разряды при использовании охлажденных ВТСП-катодов, находящихся в нормальном состоянии. Разряды происходили как с разрушением ВТСП-катодов, так и без разрушения. В случае разрушения ВТСП-катода эрозионное пятно имело такой же вид, как и при использовании сверхпроводящих ВТСП-катодов, но в отличие от сверхпроводящих ВТСП-катодов вокруг эрозионного пятна отсутствовал налет вещества анода (см. фиг. 2). При использовании охлажденных ВТСП-катодов, находящихся в нормальном состоянии, не наблюдалось ни одного случая испарения анода. При использовании сверхпроводящих ВТСП-катодов всегда происходили значительные потери массы анода в результате его испарения.

Использование известных высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) в качестве источников сильноточных электронных пучков позволяет создавать электронные пушки с уникальными характеристиками пучков, которые не могут быть получены с помощью металлических катодов. Такие пучки открывают, например, новые возможности обработки различных материалов, новые направления физических исследований.

Формула изобретения

ИСТОЧНИК СИЛЬНОТОЧНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ на основе взрывной эмиссии, выполненный из сверхпроводящего материала, отличающийся тем, что, с целью увеличения длительности импульса тока путем отбора тока в дуговой стадии разряда, в качестве сверхпроводящего материала использован высокотемпературный сверхпроводник состава Y-Ba-Cu-O.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2