Плазменный электронный источник

 

Изобретение относится к области плазменной техники и может быть применено при разработке электронно-лучевых устройств и использовано в электронно-лучевой технологии, экспериментальной физике, плазмохимической технологии. Электронный источник для генерации непрерывного электронного пучка включает в себя полый катод, анод, ускоряющий электрод с отверстием в центре для формирования электронного пучка, изоляторы, размещенные на фланце, причем эмиссионное отверстие в аноде перекрыто мелкоструктурной металлической сеткой. Между анодом и ускоряющим электродом помещен диск из термостойкого неорганического диэлектрика с отверстием в его центральной части. Диаметр отверстия в диэлектрическом диске больше диаметра эмиссионного отверстия в аноде и меньше диаметра отверстия в ускоряющем электроде. Технический результат - возможность повысить рабочее давление при сохранении электрической прочности ускоряющего промежутка. 1 ил.

Изобретение относится к области плазменной техники и может быть применено при разработке электронно-лучевых устройств и использовано в электронно-лучевой технологии, экспериментальной физике, плазмохимической технологии.

Известны устройства, предназначенные для генерации непрерывных электронных пучков путем эмиссии электронов из газоразрядной плазмы (а.с. СССР 1455928, 835264). В этих устройствах плазма создается путем инициирования разряда в газе. Разряд, т.е. ток в газе, поддерживается напряжением, прикладываемым между электродами разрядной системы. Плазменная эмиссионная граница создается в пределах отверстия, выполняемого в одном из электродов разрядной системы. В электронном источнике с плазменным катодом (а.с. СССР 1455928), включающем полый катод, цилиндрический анод, плоский катод-отражатель, расположенный напротив полого катода, эмиссионное отверстие устроено в центре плоского катода-отражателя. Разряд зажигается в газе, напускаемом в катодную полость. Ускоряющее напряжение прикладывается между катодом-отражателем и ускоряющим электродом. Указанная электронная пушка позволяет получать пучок электронов с энергией 20-40 кэВ при давлении газа в ускоряющем промежутке 1,3•10^-3 Па-1,3•10^-2 Па. При увеличении давления пушка теряет работоспособность, т.к. в ускоряющем промежутке зажигается разряд, что приводит к резкому падению напряжения до нескольких сотен или даже десятков вольт. Повышение рабочего давления может быть достигнуто размещением вблизи эмиссионного электрода заземленного экрана (ЖТФ, 1980, Т. 50, Вып.1, С. 203-205). Этот экран затрудняет возникновение разряда в ускоряющем промежутке, поскольку устраняет длинные пути, по которым обычно и развивается разряд. Применение экрана позволяет повысить рабочее давление до 2,6 Па. Дальнейшее повышение давления, однако, приводит к возникновению разряда в ускоряющем промежутке, причем несмотря на то, что в соответствии с кривой Пашена разряд возникать не должен. Причина заключается прежде всего в том, что электронный пучок вызывает появление в ускоряющем промежутке ионов, которые, ускоряясь, попадают на эмиссионный электрод, вызывают вторичную электронную эмиссию, что в конечном итоге и приводит к возникновению разряда и потере работоспособности источника.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является источник электронов непрерывного действия (ПТЭ, 1998, 2, с. 95-98), содержащий соосные полый катод, анод с эмиссионным отверстием, перекрытым мелкоструктурной сеткой, и ускоряющий электрод с отверстием для пропускания электронного пучка. В указанном источнике электроды ускоряющего промежутка, т. е. анод и ускоряющий электрод, выполнены плоскими и расположены параллельно друг другу на предельно малом расстоянии, минимальное значение которого определяется возможностью вакуумного пробоя. Указанное решение позволяет повысить рабочее давление до 9,3 Па при сохранении электрической прочности ускоряющего промежутка, допускающей прикладывать ускоряющее напряжение до 8 кВ. Ясно, что указанное техническое решение не имеет принципиальных отличий от решения, описанного в (ЖТФ, 1980, Т. 50, Вып.1, С. 203-205). Повышение рабочего давления достигается за счет снижения плотности тока электронного пучка, что, в свою очередь, обусловлено увеличением диаметра эмиссионного отверстия.

Техническим результатом настоящего изобретения является дальнейшее повышение рабочего давления источника электронов при сохранении электрической прочности ускоряющего промежутка и плотности эмиссионного тока.

Указанный результат достигается тем, что в известном источнике электронов, содержащем соосные полый катод, анод с эмиссионным отверстием, перекрытым эмиссионной сеткой, и ускоряющий электрод, между анодом и ускоряющим электродом размещен диск из термостойкого неорганического диэлектрика с отверстием в центре. Причем диаметр отверстия в диске больше диаметра эмиссионного отверстия в аноде и меньше отверстия в ускоряющем электроде.

Схема предлагаемого источника электронов представлена на чертеже. Полый катод 1, анод 2 и ускоряющий электрод 3 размещены соосно на керамических изоляторах 4, один из которых укреплен на фланце 5. Эмиссионное отверстие 6 в аноде перекрыто мелкоструктурной металлической сеткой. Новым элементом по сравнению с прототипом является керамический диск 7 с отверстием 8, размещенный между анодом и экстрактором.

Источник работает следующим образом. Вакуумную камеру, на фланце которой установлен источник, откачивают до давления 1,3-13 Па. При необходимости указанный диапазон давлений достигается напуском газа в вакуумную камеру. Затем к катоду 1 и аноду 2 источника прикладывают напряжение от блока питания разряда, плавным повышением которого добиваются зажигания разряда. После этого подают напряжение между анодом 2 и ускоряющим электродом 3 от блока ускоряющего напряжения, плавным повышением которого добиваются формирования электронного пучка необходимой энергии. Размещение керамического диска 7 позволяет повысить рабочее давление до 13,3 Па при ускоряющем напряжении до 10 кВ, токе эмиссии до 1 А и диаметре эмиссионного отверстия в аноде 10 мм. Наличие диска позволяет избежать попадания эмитированных электронов на ускоряющий электрод. Это объясняет причину, по которой отверстие в диске должно быть меньше отверстия в ускоряющем электроде. С другой стороны, отверстие в диске должно быть больше эмиссионного отверстия в аноде, ибо при обратном соотношении не удается избежать интенсивного нагрева края диска электронами пучка, что с неизбежностью влечет за собой как газовыделение, так и появление поверхностной проводимости диэлектрика. Возможны также нарушение механической прочности диска и появление трещин. Все эти явления приводят в конечном итоге к снижению электрической прочности ускоряющего промежутка и возникновению разряда в нем. Возможность нагрева края диэлектрического диска объясняет, почему необходимо, чтобы диск был выполнен из термостойкого неорганического диэлектрика (керамика, кварц).

Предлагаемый электронный источник позволяет получать электронный пучок в области давлений до 13,3 Па при ускоряющем напряжении и плотности эмиссионного тока не меньших, чем у наиболее близкого аналога, что расширяет возможные области применения электронных пучков. В частности, предлагаемый источник может быть использован в плазмохимических установках для инициирования пучкового разряда в газе.

Формула изобретения

Плазменный электронный источник непрерывного действия, включающий в себя соосные полый катод, анод с эмиссионным отверстием, перекрытым мелкоструктурной сеткой, ускоряющий электрод, отличающийся тем, что между анодом и ускоряющим электродом размещен диск, выполненный из термостойкого неорганического диэлектрика с отверстием в центре, причем отверстие в диске больше эмиссионного отверстия в аноде и меньше отверстия в ускоряющем электроде.

РИСУНКИ

Рисунок 1