Коаксиальный диод с магнитной изоляцией

 

Использование: в ускорительной технике при создании сильноточных релятивистских импульсных электронных ускорителей микросекундного диапазона. Сущность изобретения: катод выполнен в виде диска клинообразного сечения с радиально направленным наружу острым краем, торцевая поверхность катода выполнена в виде сплошного плоского круга и покрыта диэлектрической пленкой, затрудняющей взрывную эмиссию, а геометрией соленоида обеспечено наличие обратного тока диода. Обратный электронный ток диода образует плазму на обращенной к катододержателю поверхности катода, а внешняя граница этой плазмы является эмиттерном электронов прямого электронного потока. Плазма на торцевой поверхности катода не образуется из-за наличия диэлектрического покрытия, а количество плазмы, образующейся на боковой поверхности, незначительно из-за малой площади последней. Благодоря этому существенно улучшена стабильность поперечного профиля плотности тока электронного пучка в течение микросекундных интервалов времени. 3 ил.

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при создании сильноточных релятивистских импульсных электронных ускорителей микросекундного диапазона.

Известен диод сильноточного ускорителя релятивистского электронного пучка (РЭП) микросекундной длительности, содержащий катододержатель с закрепленным на нем взрывоэмиссионным катодом, расположенный в вакуумной камере внутри соленоида [1] Наиболее близким техническим решением к изобретению, выбранным в качестве прототипа, является коаксиальный диод с магнитной изоляцией (КДМИ), содержащий катододержатель с закрепленным на нем взрывоэмиссионным цилиндрическим катодом, расположенный в вакуумной камере внутри соленоида [2] Недостатком конструкции прототипа является то, что эмиттирующая электроны плазма с боковой поверхности катода, расширяясь по нормали к поверхности, т. е. поперек магнитного поля, способствует увеличению внешнего радиуса трубчатого пучка. Это связано с тем, что плазма движется в сторону, противоположную градиенту давления, поэтому под действием давления со стороны соседних участков (боковых и внутреннего по радиусу) образованная на поверхности протяженного по длине катода плазма выдавливается в сторону увеличения радиуса. Такой механизм определяет длину разлета, т. е. расстояние, на которое смещается плазма за время длительности импульса.

Технической задачей изобретения является стабилизация поперечного профиля плотности тока трубчатого электронного пучка в течение микросекундных интервалов времени за счет практически полного отсутствия боковой поверхности катода, с которой возможен разлет поперек магнитного поля плазмы, эмиттирующей электроны в направлении движения электронов пучка и ликвидации взрывной эмиссии на торцовой поверхности катода.

Это достигается тем, что катод выполнен в виде диска клинообразного сечения с радиально направленным наружу острым краем, торцовая поверхность которого выполнена в виде сплошного плоского круга и покрыта диэлектрической пленкой, затрудняющей взрывную эмиссию, а размеры и число витков соленоида выбраны из условия обеспечения обратного тока диода.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый КДМИ отличается значительно меньшей площадью боковой поверхности катода, с которой возможна эмиссия, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "новизна".

Давно известны разные формы диода с острийными (лезвийными) катодами. В ряде случаев острия направлены непосредственно в сторону анода, являющегося одновременно коллектором электронов. В случае КДМИ электроны летят в сторону коллектора параллельно поверхности анода, не приближаясь в ней. Но в любом случае электронный пучок формируется по направлению острия. Да и сами острия делаются для того, чтобы увеличить напряженность электрического поля, а вместе с ней эмиссию с них электронов.

В нашем случае направление тока перпендикулярно направлению острия на анодную трубу. Острый край применяется, чтобы минимизировать (а в идеале полностью запретить) эмиссию с него электронов (следовательно, разогрев поверхности, образование плазмы, ее разлет, и т. д.).

При сравнении заявляемого решения формулы изобретения с другими известными техническими решениями в данной области техники не обнаружены решения, обладающие сходными признаками и решающими аналогичные технические задачи, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 представлен КДМИ, общий вид; на фиг. 2 показано радиальное распределение плотности тока электронного пучка в различные моменты времени; на фиг. 3 показано то же, распределение для катода, соответствующего прототипу.

КДМИ содержит взрывоэмиссионный катод 1, выполненный в виде диска клинообразного сечения с радиально направленным наружу острым краем и плоской торцовой поверхностью, покрытой диэлектрической пленкой. Катод расположен на катододержателе 2 в вакуумной камере 3, которая одновременно служит анодом. Магнитное поле с индукцией ≈ 1 Тл районе катода создается соленоидом 4. Магнитная силовая трубка 5, определяемая внешним радиусом катода, обозначена пунктиром.

КДМИ работает следующим образом. При появлении высокого напряжения на катоде 1 и держателе 2 автоэлектронная эмиссия разогревает их проводящие поверхности и образующаяся вследствие этого плазма служит в дальнейшем эмиттером электронов.

На торцовой поверхности катода, покрытой диэлектриком, эмиссия электронов и, следовательно, образование плазмы существенно затруднены (это могут быть некоторые металлы, оксид титана и др.). Использовано анодирование алюминием поверхности дюралюминиевого катода. В работе для похожих целей использовался слой толщиной 50-100 мкм, достигнут практически желаемый результат при толщине слоя ≈10 мкм. Поскольку любая неоднородность на поверхности катода (например, внутренняя кромка в кольцевом катоде) увеличивает напряженность электрического поля и может вызвать пробой пленки, торцовая поверхность сделана в виде сплошного диска.

Количество плазмы, образующейся на боковой поверхности катода, незначительно вследствие ее малой площади: острый край.

Обратный ток диода будет отличен от нуля, если магнитные силовые линии 5, направленные в сторону катододержателя, не пересекают его поверхности. В этом случае электроны свободно распространяются вдоль магнитного поля и могут уходить на стенки камеры. Этот процесс хорошо известен, он приводит к потерям энергии ускорителя и обычно от него стараются избавиться. Величина обратного тока регулируется величиной минимального расстояния от силовых линий 5 до катододержателя 2.

Обратный ток диода способствует образованию плазмы на обратной (противоположной торцовой) проводящей поверхности катода. Плазма распространяется в ту же сторону, что и образующие обратный ток электроны (амбиполярный механизм) со скоростью ≈10⁷ см/с. Толщина этой плазменной трубки увеличивается со временем за счет уменьшения ее внутреннего радиуса, вместе с этим уменьшается внутренний радиус и увеличивается толщина эмиттированного с нее электронного потока, образующего обратный ток диода. Механизм этот полностью аналогичен динамике плазмы и РЭП с наружной проводящей поверхности катода в прототипе.

Внешняя по радиусу граница плазмы является эмиттером электронов, которые могут распространяться не только в обратную сторону (налево на фиг. 1), но и формировать прямой, рабочий ток диода (направо). При этом наружная граница плазмы (и РЭП) практически не расширяется. Внутренняя граница РЭП стабилизирована тем, что торцовая поверхность катода практически не эмиттирует, так как покрыта диэлектриком, а внутренние слои эмиттирующей плазмы (слева от катода) экранируются самим катодом.

Радиальный профиль плотности тока РЭП измерялся секционированным коллекторным приемником, расположенным на расстоянии 30 см от катода 1. Результаты измерений представлены на фиг. 2. На гистограммах показано распределение плотности тока пучка J по радиусу r в различные моменты времени. Видно, что в отличие от прототипа (см. фиг. 3) эффект радиального разлета катодной плазмы полностью устранен, при этом основной ток сосредоточен в трубке с толщиной стенки ≈3 мм.

Таким образом, использование изобретения позволяет получать трубчатые сильноточные РЭП микросекундной длительности, у которых радиальный профиль плотности тока практически не изменяется за время импульса.

Формула изобретения

Коаксиальный диод с магнитной изоляцией импульсного сильноточного ускорителя релятивистского электронного пучка микросекундной длительности, содержащий катододержатель с закрепленным на нем взрывоэмиссионным катодом, расположенный в вакуумной камере внутри соленоида, отличающийся тем, что катод выполнен в виде диска клинообразного сечения с радиально направленным наружу острым краем, торцевая поверхность которого выполнена в виде сплошного плоского круга и покрыта диэлектрической пленкой, затрудняющей взрывную эмиссию, а размеры и чило витков соленоида выбраны из условия обеспечения обратного тока диода.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3