Источник электронов со взрывным катодом

 

ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРОНОВ СО ВЗРЫВНЬМ КАТОДОМ по авт. св. 602041 о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью увеличения плотности тока пучка, источник снабжен электродомплазменным отражателем, закрепленным между катодом и анодом с возможностью перемещения. (Л с 00 00

(19) (11) ИЖ)З СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

3159 Н 01 J 29 48

L 1

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOlVIV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (61) 602041 (21) 2703675/18-25 (2$) 2712397/18-25 (22) 26.12.78 (46) 23.11. 83. Бюл. 9 43 (72) Г. П.. Баженов, О. Б. Ладыжинский и С. М. Чесноков (71 ) Институт сильноточной электроники Сибирского отделения AH СССР (53) 621.384.6(088.8) (54 ) (57 ) ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРОНОВ СО

ВЗРЫВНЫМ КАТОДОМ по авт. св. 9 602041 отличающийся тем, что, с целью увеличения плотности тока пучка, источник снабжен электродомплазменным отражателем, закрепленным .между катодом и анодом с возможностью перемещения.

878100

Изобретение относится к области генерирования электронных пучков и может быть использовано в плазмохимии, в ускорительной технике, в технике генерироваиия оптического СВЧ и рентгеновского излучения, а также в электроннолучевой технологии, например для плавки, сварки и резки металлов.

Известен источник электронов со взрывньм катодом, содержащий катод, анод, находящийся под потенциалом земпи, и фокусирующий электрод, выполненный в виде сосуда с отверстием, в которое углублен анод, катод расположен внутри фокусирующего элек-15 трода, имеет электрйческий контакт с последним и удален от анода на расстояние, квадрат которого не мень ше площади поверхности анода, собирающей электроны. 20

Этот источник имеет малую расходимость пучка, в нем получены пучки длительностью 50 мкс, энергией

200 кэВ и плотностью тока на аноде

-1 А/см, причем длительность импуль- 25 са во многих случаях огранйчивается не зажиганием дугового разряда, а разрядом ГИНа.

Но в известном источнике не устранены такие недостатки, как нестабиль-3р ность тока по времени и амплитуде, не удается - увеличить плотность тока до величины )1 А/см, коэффициент токопрохождения в анодное отверстие не превышает 50%.

Целью изобретения является увели- чение плотности тока пучка до величины «> 10 А/см, увеличение сходимости пучка, уменьшение пульсаций. электронного тока, исключение зажигания.дугбвого разряда за время 110"4 с. 40

Цель достигается тем, что источник электронов со взрывным катодом, имеет катод, анод, находящийся под потенциалом земли, и фокусирующий электрод, выполненный в виде сосуда 45 с отверстием, в которое углублен анод, причем катод расположен внутри . фокусирующего электрода,. имеет электрический контакт с последним и уда-. лен от анода на расстояние, квадрат которого не меньше площади поверхности анода, собирающей электроны, снабжен электродом-плазменным отра-. жателем, закреплеиным между анодом и катодом с возможностью перемещения.

Введение плазменного отражателя приводит к равномерному, стабилизированному натеканию плазмы в промежуток плазменный отражатель-анод. В 6р этом случае исключаются флуктуации эмиссионной способности плазменной поверхности, как это имеет место при прямом выходе к ней сгустков плазмы, образующихся у катода вследствие флуктуаций скорости поступления материала катод в плазму катодного факела.

Токоотбор начинается когда плазма, радиально расширяясь, выходит из зоны экранировки эмиссионной границы от внешнего поля плазменным отражателем. Такое первоначальное расширение плазмы при отсутствии токоотбора способствует существенному спаду концентрации плазмы на границе.. Поэтому с самого начала токоотбора эмиссионная граница плазмы начинает работать в режиме насыщения. В таком режиме эмиссионная поверхность плазмы подвергается тормозящему воздействию со стороны внешнего электрического поля.

Продольное расширение. плазмы прекращается,. а, расширяясь радиально, плазменная поверхность принимает положение, соответствующее нулевой (катодной) зквипотенциальной.поверхности, которая, в данной конструкции имеет вогнутую форму. Таким образом, введение плазменного отражателя умень шает флуктуации эмиссионной способности. границы плазмы, т.е. уменьшает колебания тока пучка, способствует, формированию вогнутой эмиссионной поверхности,.тем самым способствует формированию сходящегося электронного пучка, повышает эффективность источника, плотность тока на аноде.

Кроме того, торможение эмиссионной границы в месте нулевой эквипотенциали з.начительно увеличивает время до зажйгания дугового разряда в источнике {которое в вышеперечисленных устройствах ограничивается перемяканием промежутка катодной плазмой) .

На фиг. 1 изображен общий вид предлагаемого источника электронов со взрывным катодом;.на фиг. 2 и 3 осциллограммы тока пучка и напряжения на промежутке.

Источник электронов со взрывным катоцом включает катод 1, анод 2, находящийся под потенциалом земли, фокусирующий электрод, З,и электродплазменный отражатель 4..

Возможность фиксации эмиссионной поверхности плазмы катодного факела в месте нахождения катодной .эквипотенциали позволяет применять в заявляемом источнике в качестве электронно-оптической системы уже известные юонфигурации, используемые в пушках с термокатодом. В нашем .источнике используется электронно-оптическая система эл ктронной пушки первеансом 2,2i10 и сходимостью по площади 300:1, причем все характерные размеры увеличены в 5,5 раз. Электрод-плазменный отражатель установлен на месте накаленного катода и выполнен в виде сплошного диска из угле8V 8100 графитовой ткани диаметром 15 мм.

Центр диска расположен по оси пушки. Плазменный отражатель предназначен для предотвращения прямого выхода плазмы в промежуток катод-анод и возникающих в процессе токоотбора . плазменных сгустков к эмиссионной границе. Поскольку плазменный отражатель расположен между катодом и анодом и тем самым экранирует катод . от непосредственного воздействия внешнего электрического поля, то для создания на катоде плазмы электродплазменный отражатель используется и как поджигающий электрод. Поэтому отражатель соединен с анодом, но 15 через большое ограничительное активное сопротивление Rp = 80 KOM с целью уменьшения потерь мощности в цепи поджига. Катод представляет собой заточенный карандашный графитовый 20 стержень, который расположен по оси источника, удален от электрода-плазмеиного отражателя на расстояние, до,статочное для стабильного поджига и . крепится другим концом к катоцному фланцу, наглухо закрывающему отверстие фокусирующего электрода с катод- ной.стороны. Причем для данной конструкции выполняется условие: квадрат расстояния катод-анод не меньше площади отверстия в аноде, (в данном источнике пучок на анод практически не попадает}.

При подаче на катод напряжения, достаточного для возбуждения взрыв- . ной эмиссии, в цепи катод-плазменный.отражатель зажигается разряд.

Когда поверхность плазмы, образующей. ся при взрыве .катода, расширяясь радиально, попадает под воздействие поля анода, с нее начинают отбираться40 электроны, и формируется электронный пучок. При этом на эмиссионной .поверхности плазмы сразу устанавливается режим насыщения вследствие расширения плазмы до начала токоотбора. 45

Поэтому плазма не распространяется в промежуток плазменный отражатель анод, а продолжает лишь расширяться радиально и занимать положение нулевой эквипотенциал. Таким образом,, за время порядка 5 мкс формируется развитая вогнутая эмиссионная поверхность, с этого момента ток пучка выходит на плато. Как.,указывалось выше, поступление частиц в плазму катодного факела происходит неравномерно.55

В прототипе это приводит к нарушению режима насыщения на эмиссионной гра нице, в связи с этим к всплескам тока, к распространению плазмы к ано. ду, к быстрому зажиганию дугового разряда в промежутке. При исследовании потоков плазмы, исходящих из опорных точек дуги, замечено, что истечение плазмы происходит перпендикулярно поверхности, на которой

1.расположена опорная точка. В .заявляемой конструкции опорные точки располагаются против плазменного отражателя. Поэтому образующиеся вследствие неравномерного уноса материала катода плазменные образования повышенйой концентрации налетают на. отражатель, зеркально отражаются от него, т.е. как бы расплескиваются, и в результате не выходят непосредственно к плазменной эмиссионной границе и не нарушают режим насышения.

Это обеспечивает постоянство положения эмиссионной границы и хорошее токопрохождение, стабильность тока по амплитуде, существенно увеличивает время до зажигания дугового разряда в промежутке. Форма эмиссионной поверхности и, следовательно, сходимость пучка регулируются в данном источнике подбором глубины погружения плазменного отражателя и его диаметра.

Исследования работы источника электронов со взрывным катодом в условиях оптимальной геометрии дали следующие результаты..При изменении ускоряющего напряжения от 15 до 32 кВ коэффйциент токопрохождения и первеанс пучка остаются постоянными и равными 98-99% и 2 ° 10 A/B соответственно, что свидетельствует о: постоянстве положения эмиссионной. границы. Длительность пучка составляет величину 10 4 с и ограничивает ся не зажиганием дуги, а разрядом линии. При ускоряющем напряжении 30 кВ получена плотнрсть потока мощности в пушке: 10 Вт/см . Осциллограммы тока пучка и напряжения на промежутке приведены на фиг. 2 и фиг. 3.

Таким образом, введение электрода.плазменного отражателя дает следующие преимущества заявляемого источника электронов со взрывным катодом над прототипом.

Заявляемый источник генерирует остросфокусированные электронные пучки плотностью тока 10-20 %/см дли.тельностью не менее 10 4 с, пучки с такими параметрами не были получены ни в одном из известных источников электронов со взрывным катодом.

Значительно уменьшены пульсации электронного тока пучка ° При длитель- . ности импульса напряжения 3 10 с и частоте следования импульса 40 Гц воспроизводимость импульсов тока оказывается не хуже 10-15%.

В источнике получен коэффициент токопрохождения в анодное отверстие

99%, т.е. существенно повыаена эффективность источника, поскольку в прототипе значительная часть электроноз пучка попадает на анод.

Возможность получения в заявляег ом источнике электронных пучков с

878100

Юк,„,Л

ФОО t мкс

Акв. 8

К и,в

100 Ф, нкС

Фиг. 3

Ф.

Составитель П. Ермохин

Редантор П. Горькова Техред л. Пилипенко Корректор О. Тигор

Тираж 703 Подписное. ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5,Заказ 10848/3

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4 большой плотностью тока, высокая эффективность источника зйачительно расширяет область применения источников электронов со взрывным катодом. . В частности, такой источник сможет с успехом использоваться в электроннолучевой плавке, сварке и резании тугоплавких металлов. В настоящее время для этих целей используются источники электронов с термокатодом, где значительная часть мощности источника (:10%),. расходуется в цепи подогревателя катода, применение заявляемого источника,где потери в цепи поджига катода составляют 0,5%,может дать большой экономический эффект.