Устройство для формирования плазменно-пучкового разряда

Авторы патента:

H01J37/077 - электронные пушки с использованием разряда в газах или парах в качестве источников электронов

Владельцы патента RU 2574339:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ДАГЕСТАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" (RU)

Изобретение относится к области физики газового разряда и может быть применено при разработке новых устройств сильноточной электроники, позволяющих получать ленточные пучки ускоренных электронов и мощные наносекундные импульсы тока, в плазменной технологии, электронно-лучевой технологии, экспериментальной физике, в физике газового разряда, в физике и технике газовых лазеров, при разработке коммутаторов, импульсных источников тока наносекундной длительности, импульсных источников оптического излучения с высокой яркостью, большой излучающей поверхностью и высоким КПД, плазмохимической технологии, экспериментальной физике. Технический результат - получение протяженного однородного объемного разряда и существенное обострение импульсов напряжения и тока и увеличение величины разрядного тока более чем на порядок при ограничении разрядной области. Устройство для формирования плазменно-пучкового разряда включает разрядную камеру и электродную систему из протяженных электродов. Разрядная камера представлена в виде кварцевой трубки, в которую помещена электродная система из алюминиевых электродов, анод выполнен в виде плоской пластины, катод - в виде цилиндрического стержня, вдоль которого прорезана полость прямоугольной формы, а половина области разряда ограничена в поперечном направлении диэлектрическими стенками. Боковые стенки состоят наполовину из алюминия внутри полосы катода и наполовину из стеклотекстолита в области между катодом и анодом. 2 ил.

Известны устройства, предназначенные для генерации ленточных электронных пучков путем эмиссии электронов из газоразрядной плазмы с протяженной границей. В этих устройствах плазма создается путем инициирования разряда в газе напряжением, прикладываемым между электродами разрядной камеры (патенты №2231164 от 20.06.2004 г., №2306683 от 20.09.2007 г., №107657 от 20.08.2011 г., №813715 от 15.03.1981 г.).

Наиболее известным является источник ленточного электронного пучка (пат. US 3831052 AA, Y01J 7/44, 20.08.1974), состоящий из протяженного полого цилиндрического катода, плоского перфорированного анода, дополнительного электрода для поджига и ускоряющего промежутка.

Устройство используется для получения электронных и ионных пучков. Пучки ускоренных заряженных частиц формируются за счет вытягивания электронов и ионов из тлеющего разряда низкого давления (сотые доли Тор), в отличие от которых предлагаемое нами устройство дает значительно более высокие токи и на три порядка высокие рабочие давления газа, содержащее цилиндрический полый катод с продольной щелью в боковой стенке, анод с эмиссионным окном, перекрытым металлической сеткой, ускоряющий электрод с окном для пропускания электронного пучка.

Известно выполнение разрядной камеры из кварца, материал электродов (алюминий), электродной системы, состоящей из протяженного полого катода и плоского анода и ограничения разрядной области диэлектрическими стенками, указанные в патентах RU 2061286 C1, H01T 1/20, 27.05.1996, где анод, изготовленный из алюминиевого сплава, в виде полого цилиндра используется для обработки поверхности катода с помощью диффузного разряда, при пониженных давлениях (3 Па). В RU 2380457 C2, C23C 14/34, 27.01.2010 цилиндрический составной катод из трех сегментов (один из сегментов выполнен из алюминия) используется для изготовления электродугового испарителя. Хотя задачи, решаемые в указанных патентах, и в нашей заявке совершенно отличаются.

Известно также устройство, в котором по поперечному сечению электронного пучка за счет снижения краевых максимумов достигнуто повышение однородности (пат. 2231164, РФ). Этот результат достигается тем, что внутренние торцевые стенки катодной полости закрыты пластинками термостойкого неорганического диэлектрика. Указанные электронные источники позволяют получить электронный пучок шириной до 30 см с током до 1A при давлениях газа до 10^-1 Тор.

Недостатком вышеуказанных аналогов является недостаточно высокая однородность пучка и низкие давления рабочего газа.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения.

Задача - получение однородного плотного плазменно-пучкового разряда наносекундной длительности при средних давлениях рабочего газа.

Техническим результатом изобретения является получение протяженного однородного объемного разряда плазменно-пучкового типа при давлениях газа до 100 Тор и возможность резкого обострения импульсов напряжения и тока и увеличения величины разрядного тока более чем на порядок при ограничении разрядной области.

Новым в предлагаемом нами устройстве является ограничение разрядной области стенками, состоящими наполовину из алюминия, наполовину из диэлектрика, в результате чего удается получить плотный однородный ярко светящий плазменный столб.

Сущность изобретения в том, что: для получения однородного плотного плазменно-пучкового разряда предлагается разрядная камера в виде кварцевой трубки, в которую помещена электродная система из алюминиевых электродов, в которой анод выполнен в виде плоской пластины, катод в виде цилиндрического стержня, вдоль которого прорезана полость прямоугольной формы, а половина области разряда ограничена в поперечном направлении диэлектрическими стенками, при этом боковые стенки состоят наполовину из алюминия внутри полосы катода и наполовину из стеклотекстолита в области между катодом и анодом.

Новым и важным элементом предлагаемой нами конструкции разрядной камеры является то, что боковые стенки, ограничивающие разрядную область, состоят наполовину из алюминия и наполовину из стеклотекстолита. В области, где стенки из алюминия, идет эффективная генерация заряженных частиц и их ускорение, а в области, где стенки из стеклотекстолита, быстрые электроны запираются в разрядной области за счет ограничения поперечной диффузии. Такое сочетание боковых поверхностей позволяет избежать контракцию разряда и получить однородную объемную форму разряда при высоких плотностях заряженных частиц.

Важным является то, что предлагаемое нами устройство для получения плазменно-пучкового разряда позволяет одновременно достичь четыре технических эффекта: использовать ленточный плазменный катод для обеспечения высоких коэффициентов эмиссии электронов; использовать эффект полого катода для увеличения плотности тока; снизить потери высокоэнергетичных электронов в результате ограничения поперечной свободной диффузии из области разряда, повысить рабочее давление газа за счет использования наносекундных импульсов напряжения и тока.

Схема разрядной камеры представлена на фиг. 1а. Разрядная камера представляет собой кварцевую трубку (1) диаметром 5 см и длиной 50 см, в которую помещена электродная система из алюминиевых электродов, расположенных на расстоянии 0,6 см друг от друга. Анод (2) представляет собой плоскую пластину длиной 40 см, шириной 2 см и толщиной 0,5 см. Катод (3) представляет собой цилиндрический стержень длиной 40 см и диаметром 1,2 см, вдоль которого прорезана полость прямоугольной формы шириной 0,2 см и глубиной 0,6 см (фиг. 1б). Область разряда ограничена в поперечном направлении диэлектрическими стенками как продолжение прямоугольной полости в катоде (фиг. 1в). В этом случае область разряда занимала (включая полость катода) ограниченный объем шириной 1,2 см, толщиной 0,2 см и длиной 40 см. Выбор такой формы поверхности катода и расстояния между электродами обусловлены требованиями устойчивого горения объемного разряда при средних давлениях рабочего газа.

Разрядная камера работает следующим образом. Система откачивалась до давления 10^-4 Тор, и в камеру напускался рабочий газ в необходимом диапазоне давлений. Затем к аноду и катоду прикладывались импульсы напряжения регулируемой амплитуды до 10 кВ с длительностью переднего фронта до 15 нс. После проникновения плазмы внутрь полости катода эмитированные с боковых поверхностей полости и ускоренные в области катодного падения потенциала электроны отражаются в обратном поле с противоположной стороны и возвращаются в область отрицательного свечения. В результате таких осцилляций электронов в полости происходит формирование электронного пучка по центру полости и разрядного промежутка, что приводит к интенсивной ионизации атомов рабочего газа. Это, в свою очередь, формирует однородный плотный плазменно-пучковый разряд вдоль всей длины электродов. Формирование однородного объемного разряда в гелии и неоне происходит при давлении газа от 1 до 100 Тор в аргоне от 1 до 30 Тор. Верхняя граница диапазона давлений ограничивается появлением искры между краями полости катода и анодом.

Ограничение области разряда диэлектрическими стенками позволяет многократно увеличить скорость нарастания тока и увеличить величину плотности разрядного тока более одного порядка (фиг. 2б), в отличие от открытого разряда (фиг. 2а). Физическая причина эффекта состоит в том, что при ограничении разряда диэлектрическими стенками возрастает затрудненность пробоя и проникновения электрического поля в полость катода. Часть силовых линий электрического поля замыкается на отрицательно заряженные поверхности ограничителя, и для проникновения в полость катода требуются более высокие значения поля, что приводит к увеличению напряжения горения. При одинаковых значениях прикладываемого напряжения в ограниченном разряде плотность плазмы между электродами за счет более эффективной ионизации атомов эмитированными с поверхности ограничителей осажденными электронами и свободными электронами, запертыми в разрядном промежутке намного выше. Эта плотная плазма при достижении соответствующего значения поля быстро проникает в полость катода, что приводит к быстрому росту и высоким значениям разрядного тока.

Предлагаемая конструкция разрядной камеры с протяженным щелевым катодом позволяет получить однородный плотный плазменно-пучковый разряд наносекундной длительности при средних давлениях рабочего газа. Новый тип поперечного наносекундного разряда может быть использован для создания импульсного источника ультрафиолетового и видимого излучения с высокой яркостью, большой излучающей поверхностью и высоким КПД и для создания источника мощных наносекундных импульсов тока со скоростью нарастания до 3·10¹⁰ Ф/с и амплитудой до 1 кА при небольших фиксированных значениях прикладываемого напряжения.

Устройство для формирования плазменно-пучкового разряда, включающее разрядную камеру и электродную систему из протяженных электродов, где разрядная камера представлена в виде кварцевой трубки, в которую помещена электродная система из алюминиевых электродов, анод выполнен в виде плоской пластины, катод - в виде цилиндрического стержня, вдоль которого прорезана полость прямоугольной формы, а половина области разряда ограничена в поперечном направлении диэлектрическими стенками, при этом боковые стенки состоят наполовину из алюминия внутри полосы катода и наполовину из стеклотекстолита в области между катодом и анодом.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в устройстве генерирования электронного луча. Техническим результатом является обеспечение возможности генерирования узкого электронного луча с малым диаметром в фокусе и высокой плотности мощности при одновременно простой конструкции и конфигурации устройства.

Способ фазовой модуляции световой волны // 2547825

Изобретение относится к области оптической спектроскопии и может быть применено при разработке новых методов нестационарной оптической спектроскопии, позволяющих исследовать свойства неоднородной плазмы в области аномальной дисперсии.

Способ определения аномальной дисперсии // 2534219

Изобретение относится к способам регистрации аномальной дисперсии неоднородного протяженного плазменного столба и может быть использовано в спектроскопии в неоднородных газовых и плазменных средах, в лазерной спектроскопии и в спектральном анализе газообразных веществ.

Фокусатор газоразрядной плазмы // 2339191

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано при производстве интегральных микросхем на активных и пассивных подложках и элементов дифракционной оптики на криволинейных поверхностях.

Катод плазменного ускорителя // 2304858

Изобретение относится к области электрореактивных двигателей, а именно к классу плазменных ускорителей (холловских, ионных), использующих в своем составе катоды. .

Плазменный катод-компенсатор // 2287203

Изобретение относится к плазменной технике, а именно к катодам-компенсаторам, работающим на газообразных рабочих телах, и может быть использовано в электрореактивных двигателях для нейтрализации ионного пучка, а также в технологических источниках плазмы, предназначенных для ионно-плазменной обработки поверхностей материалов.

Плазменный электронный источник ленточного пучка // 2231164

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.

Катод-компенсатор // 2173002

Изобретение относится к плазменной технике, а именно к катодам-компенсаторам на газообразных рабочих телах, и может быть использовано при разработке электрореактивных двигателей для нейтрализации ионного пучка, а также в технологических источниках ускоренных потоков для ионно-плазменной обработки поверхности материалов в вакууме.

Катод-компенсатор // 2173001

Катод-компенсатор // 2168793

Изобретение относится к плазменной технике, а именно к накальным катодам-компенсаторам на газообразных рабочих телах, и может быть использовано при разработке электрореактивных двигателей для нейтрализации ионного пучка, а также в технологических источниках плазмы для ионноплазменной обработки поверхности материалов в вакууме.

Способ генерации плотной объемной импульсной плазмы // 2632927

Изобретение обеспечивает генерацию плотной объемной импульсной плазмы и может быть использовано для интенсификации процессов взаимодействия частиц в объеме и одновременного ограничения температуры поверхности изделий, нагреваемых ионным потоком из плазмы. Способ генерации плотной объемной импульсной плазмы основан на возбуждении разряда с самонакаливаемым полым катодом в газоразрядной системе источника электронов с плазменным эмиттером и формировании широкого электронного пучка, ионизирующего и возбуждающего газ в объеме. Разряд с самонакаливаемым полым катодом зажигают в импульсно-периодическом режиме, при этом сочетание параметров режима (амплитуда, длительность и частота повторения импульсов) выбирают таким образом, чтобы приращение температуры эмитирующей поверхности полого катода за время импульса (Tmax-Tmin) обеспечивало требуемую величину импульсного тока термоэмиссии катода, а отвод тепла в объем полого катода и излучение с его внешней поверхности за время паузы не привели к снижению температуры эмитирующей поверхности полого катода ниже минимального уровня Tmin, обеспечивающего минимальный стартовый ток термоэмиссии для развития разряда при подаче импульса напряжения, причем значения температур определяются из соотношения Ричардсона-Дэшмана Imax=AT2maxexp(-eϕ/koTmax)S1и Imin=AT2minехр(-eϕ/koTmin)S1, длительность импульса t и частота повторения импульсов f определяются из соотношений (Tmax-Tmin)=(2q/λ)(αt/π)1/2, q=k1UIImax/S1, k1ImaxU⋅f⋅t~k2σT4minS2, где Imax, Imin - требуемая амплитуда тока и минимальный стартовый ток термоэлектронной эмиссии катода, S1, S2 - площадь эмитирующей и внешней поверхности полого катода, А - термоэлектрическая постоянная, Tmax, Tmin - максимальная импульсная и минимальная стартовая температура полого катода, еϕ - работа выхода электронов из материала полого катода, е - заряд электрона, ko - постоянная Больцмана, q - импульсная плотность мощности, выделяющейся на эмитирующей поверхности полого катода, λ и α - коэффициенты теплопроводности и температуропроводности материала полого катода соответственно, π=3,14; k1 - доля ионного тока в общем токе на полый катод, U - напряжение горения импульсного разряда; k2 - коэффициент излучения (степень черноты) внешней поверхности полого катода, σ - постоянная Для нанесения покрытий в плазме электронного пучка могут быть использованы совместно с электронным источником распылительная система, формирующая поток атомов в направлении обрабатываемых изделий, а также плазмохимические реакции с участием компонентов газовой смеси, активируемой низкоэнергетическим электронным пучком. Технический результат - повышение эффективности возбуждения и ионизации газа и обеспечение возможности изменять структурно-фазовое состояние и функциональные характеристики изделий. 6 ил.

Способ и устройство для генерирования электронных пучков // 2637509

Изобретение относится к устройству с плазменным источником электронов. Применение устройства с плазменным источником электронов для формирования трехмерного изделия путем последовательного плавления частей по меньшей мере одного слоя порошковой основы, нанесенной на рабочий стол, части которого соответствуют последовательным сечениям трехмерного изделия, причем устройство с плазменным источником электронов содержит: разрядную камеру с катодом, в которой сгенерирована плазма, выходное отверстие, которое выполнено в разрядной камере с катодом и из которого электроны из плазмы извлечены ускоряющим полем, образованным между разрядной камерой с катодом и анодом, по меньшей мере одно устройство удержания плазмы, и переключающее средство для переключения по меньшей мере одного устройства удержания плазмы между первым значением, обеспечивающим возможность извлечения электронов из плазмы, и вторым значением, запрещающим извлечение электронов из плазмы. Технический результат - повышение качества формируемого трехмерного изделия. 17 з.п. ф-лы, 5 ил.