Плазменный эмиттер электронов

Изобретение относится к технике получения электронных пучков с большим поперечным сечением и может быть использовано в источниках электронов. Техническим результатом изобретения является увеличение энергетической эффективности и времени непрерывной работы плазменного эмиттера электронов. В плазменном эмиттере электронов диаметр отверстия связи d_k в плоском катоде увеличен, так что выполняется условие 1_k<<d_k≤d_a (где l_k - длина катодного падения потенциала, d_a - внутренний диаметр цилиндрического анода), а формирователь либо выполнен из диэлектрического материала, либо, если он выполнен из металла, электрически изолирован от остальных электродов. 3 ил.

 

Изобретение относится к технике получения электронных пучков с большим поперечным сечением и может быть использовано в источниках электронов для электронно-лучевых технологий в электронике и машиностроении.

Известен плазменный эмиттер электронов (Мартенс В.Я. Диссертация на соискание ученой степени д. т.н. «Объемная стационарная плазма малой плотности и ее использование для получения электронных и ионных пучков большого сечения», Ставрополь, 2002 г., с.116-117; дата поступления в библиотеку 30.01.2003 г.). Известный эмиттер позволяет получать пучки электронов с большим поперечным сечением с использованием плазмы тлеющего разряда в широком диапазоне давлений газа (1-10^-3 Па) и характеризуется непрерывным действием и простой конструкцией, не требующей использования накаленных элементов. Известный эмиттер содержит полый катод, цилиндрический анод, магнит, плоский катод с отверстием связи, формирователь плазмы в виде полого цилиндра и кольцевой электрод для управления равномерностью радиального распределения плотности эмитирующей плазмы. Существенным недостатком указанного устройства является низкая плотность тока эмиссии, связанная с потерей электронов на формирователе и кольцевом электроде, так как на эти электроды подается положительный электрический потенциал.

Наиболее близким по технической сущности является плазменный эмиттер электронов (Крейндель Ю.Е., Мартенс В.Я., Съедин В.Я., Гавринцев С.В. Электронная пушка непрерывного действия с плазменным катодом большой площади - Приборы и техника эксперимента, 1982, №4, с.178-180), показанный на фиг.1.

Известное устройство содержит полый катод 1, цилиндрический анод 2, магнит 3, плоский катод 4 с отверстием связи, формирователь (экспандер) 5, перераспределяющий элемент 6, эмиссионный электрод 7 (металлическая сетка). При подаче напряжения от блока питания 8 на электроды разрядной камеры между катодами 1, 4 и цилиндрическим анодом 2 зажигается отражательный разряд. Через отверстие связи диаметром d_k около 4 мм плазма отражательного разряда проникает в формирователь 5. Возможны два режима создания плазмы в формирователе электронного эмиттера (Мартенс В.Я. Проникновение плазмы из отражательного разряда в полый электрод при низком давлении газа. Журнал технической физики, 2002, т.72, вып.11, с.44-51; Крейндель Ю.Е.; Мартенс В.Я., Съедин В.Я. Исследование плазмы электронного эмиттера непрерывного действия с большой эмитирующей поверхностью. Источники электронов с плазменным эмиттером. - Новосибирск, Наука, 1983, с 25-33). При давления газа в формирователе р≥5×10^-2 Па реализуется режим работы эмиттера, называемый режимом объемного разряда. Для этого режима характерна высокая энергетическая эффективность. Однако высокое давление газа не позволяет использовать этот режим работы в качестве основного при работе эмиттера в реальных источниках электронов из-за уменьшения электрической прочности ускоряющего промежутка. Поэтому основным режимом работы рассматриваемого эмиттера является режим электронного пучка, который реализуется при пониженном давлении газа в формирователе р~10^-2 Па и потенциалах формирователя 5, превышающих потенциал плазмы в отверстии связи. В этом режиме электроны проникающей плазмы, ускоренные электрическим полем в сторону формирователя 5 и эмиссионного электрода 7, создают внутри формирователя 5 эмитирующую плазму. При подаче ускоряющего напряжения вблизи эмиссионного электрода 7 формируется эмитирующая поверхность плазмы. Для улучшения равномерности распределения плотности тока по поверхности эмиттера на оси формирователя 5 размещается перераспределяющий элемент 6, представляющий собой тело вращения. Устройство нашло применение в микроэлектронике, машиностроении и других областях, где не требуются высокие электронные токи, однако предъявляются высокие требования к чистоте обрабатываемой поверхности и вследствие этого не допускается использование дуговых разрядов с эрозией и испарением электродов. Недостатком этого устройства является низкая энергетическая эффективность, связанная с ограниченным выходом заряженных частиц из отражательного разряда через отверстие связи малого диаметра, а также потерями электронов на формирователе 5. Другим недостатком является постепенное увеличение диаметра отверстия связи d_k вследствие катодного распыления, что приводит к изменению технологических рабочих параметров известного устройства и требует периодической замены катодной вставки с отверстием связи.

Задачей изобретения является создание плазменного эмиттера электронов, в котором увеличена энергетическая эффективность, а технологические рабочие параметры устройства характеризуются высокой временной стабильностью.

Техническим результатом изобретения является увеличение энергетической эффективности за счет увеличения плотности тока эмиссии при одинаковой (по сравнению с прототипом) потребляемой мощности и времени непрерывной работы плазменного эмиттера электронов.

Указанный технический результат достигается тем, что в плазменном эмиттере электронов, содержащем осесимметричные детали: полый катод, цилиндрический анод с внутренним диаметром d_a, магнит, плоский катод с отверстием связи, формирователь в виде полого цилиндра, перераспределяющий элемент, эмиссионный электрод, находящийся под положительным относительно катодов потенциалом, согласно изобретению диаметр отверстия связи d_k в плоском катоде увеличен, так что выполняется условие l_k << d_k ≤ d_a (где l_k - длина катодного падения потенциала), а формирователь либо выполнен из диэлектрического материала, либо, если он выполнен из металла, электрически изолирован от остальных электродов.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.2 представлена принципиальная схема предлагаемого плазменного эмиттера электронов: 1 - полый катод, 2 - цилиндрический анод, 3 - кольцевой магнит, 4 - плоский катод, 5 - формирователь, 6 - перераспределяющий элемент, 7 - эмиссионный электрод, 8 - блок питания.

На фиг.3 приведены зависимости тока I₂ на формирователь 5 и эмиссионный электрод 7 от поданного на них напряжения U₂ при давлении газа (воздуха) р=20 мПа, токе на анод 2 I₁=200 мА и различных диаметрах отверстия связи d_k:1) d_k=3.5 мм (участок С-D соответствует режиму электронного пучка), 2) d_k=7 мм.

Положительный эффект достигается за счет того, что, как показали исследования, работа эмиттера при низких давлениях газа (~2×10^-2 Па) возможна не только в режиме электронного пучка (кривая 1 на фиг.3), но и в режиме объемного разряда (кривая 2 на фиг.3). Для зажигания и поддержания объемного разряда при низких давлениях газа необходимо увеличение диаметра отверстия связи d_k. Объемный разряд замыкается на эмиссионный электрод 7 и формирователь 5, который в прототипе находится под анодным потенциалом. Для уменьшения потерь электронов на формирователе 5 в предлагаемом устройстве эта деталь изготовлена из диэлектрического материала. По этой же причине, если формирователь 5 выполнен из металла, он должен быть электрически изолирован от остальных электродов. Высокая плотность эмиссионного тока в предлагаемом устройстве достигается за счет того, что основной ток объемного разряда замыкается на эмиссионный электрод 7. Это объясняется влиянием сразу нескольких факторов: во-первых, эмиссионный электрод 7 имеет положительный анодный потенциал, во-вторых, эмиссионный электрод 7 находится на наибольшем расстоянии от катодов, а разряд низкого давления всегда стремится замыкаться на наиболее удаленный анод, в-третьих, ток на цилиндрический анод 2 ограничен балластным сопротивлением, в-четвертых, снижены потери тока на формирователь 5, так как он не является токопроводящим элементом. Чем больше диаметр отверстия связи d_k, тем больше площадь его внутренней поверхности и тем соответственно меньше плотность тока ионов, распыляющих внутреннюю поверхность отверстия. Кроме того, дальнейшее незначительное увеличение d_k не влияет на изменение рабочих параметров столь же существенно как в прототипе. Таким образом, увеличение d_k по сравнению с прототипом обеспечивает зажигание объемного разряда низкого давления и повышение времени непрерывной работы устройства. Однако увеличение d_k имеет предел. При d_k > d_a (где d_a - диаметр цилиндрического анода 2) нарушаются условия горения отражательного разряда из-за ослабления в нем магнитного поля, уменьшения давления газа и уменьшения количества отраженных электронов.

Плазменный эмиттер электронов работает следующим образом.

При подаче газа в полый катод 1 и напряжения на электроды от блока питания 8 между катодами 1 и 4 и анодом 2 зажигается открытый отражательный разряд. Разряд является открытым, так как диаметр отверстия связи d_k по сравнению с аналогичным параметром в прототипе увеличен, так что удовлетворяется условие d_k >> 1_k (Источники заряженных частиц с плазменным эмиттером. Екатеринбург. УИФ "Наука". 1993. ред. П.М.Щанин. с.107-112). Плазма открытого разряда проникает в формирователь 5, в результате чего зажигается объемный разряд, анодом которого является эмиссионный электрод 7, на который приходится основная доля тока, что обуславливает высокую плотность тока эмиссии. Перераспределяющий элемент 6, как и в прототипе, служит для достижения равномерного распределения плотности тока эмиссии. Эмиссионный электрод закрепляется снаружи формирователя 5 во избежание нежелательных эффектов, связанных с запылением внутренней поверхности формирователя проводящей пленкой и установлением электрического контакта эмиссионный электрод 7 - формирователь 5. Таким образом, предлагаемое устройство, в отличие от прототипа, работает в режиме объемного разряда, причем эмиссионный электрод является основным анодом разряда, что позволяет получить высокую плотность эмиссионного тока при низкой потребляемой мощности и низком напряжении разряда (U_p=300-400 В).

Плазменный эмиттер электронов, содержащий осесимметричные детали: полый катод, цилиндрический анод с внутренним диаметром d_a, магнит, плоский катод с отверстием связи, формирователь в виде полого цилиндра, перераспределяющий элемент, эмиссионный электрод, находящийся под положительным относительно катодов потенциалом, отличающийся тем, что диаметр отверстия связи d_k в плоском катоде увеличен так что выполняется условие l_k<<d_k≤d_a (где l_k - длина катодного падения потенциала), а формирователь либо выполнен из диэлектрического материала, либо, если он выполнен из металла, электрически изолирован от остальных электродов.