Газоразрядный плазменный катод

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

«»888797 союз Советских

Сокчалиотических

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 27.06.80 (21) 2947107/18-25 с присоединением заявки Ме (23) Приоритет (43) Опубликовано 23.10.82. Бюллетень М 39 (45) Дата опубликования описания 23.10.82 (51) M. K з

Н 05Н 5/02

Государственный комитет (53) УДК 621.385 (088.8) йо делам изобретений и открытий (72) Авторы изобретения Ю. Е. Крейндель, П. М. Щанин, В. С. Толкаче (71) Заявители Институт сильноточной электроники СО АН институт автоматизированных систем у и радиоэлектроники

g кт. К -Фаврйлов g

1СР - ","Toìé(éé л равлсмия.„... — ., (54) ГАЗОРАЗРЯДНЫИ ПЛАЗМЕННЫЯ КАТОД

Изобретение относится к устройствам для генерирования плазмы и может использоваться в качестве плазменного катода в электронных источниках, формирующих пучки с большим поперечным сечением.

Известно применение многоэлементных термокатодов в электронных источниках (1), используемых в лазерах с несамостоятельным разрядом для возбуждения разряда высокого давления и в радиационной химии для инициирования реакций. Многоэлементные термокатоды обеспечивают хорошую (-10 /о) равномерность распределения плотности тока по сечению пучка.

Недостатками этих устройств являются малый срок службы, критичность к вакуумным условиям и потребление значительной мощности (порядка нескольких кВт) на накал. Указанные недостатки устраняются при использовании плазменных катодов.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному является плазменный катод известного электронного ускорителя (2), содержащий четыре газоразрядные камеры и общий экспандер, выполненный в форме сетчатого полуцилиндра радиусом 0,10 м с закрытыми торцами. Камеры размещены на боковой плоской стороне полуцилиндра.

В камерах используется дуговой контрагированный разряд с холодным катодом в магнитном поле. Разрядные камеры обеспечивают создание и поддержание в объеме экспандера плазмы с плотностью, достаточной для отбора с эмиттирующей поверхности тока, близкого к суммарному разрядному току камер. Плазма создается в результате ионизации потока рабочего газа в

10 экспандере быстрыми электронами, поступающими из отверстия в анодах разрядных камер. Образованная таким образом плазма имеет потенциал, на 40 — 50 В превышающий потенциал анода, что способствует

)5 максимальному выходу электронов дуги в экспандер и распределенному горению разряда на внутреннюю поверхность экспандера. Поскольку плотность поступающих из отверстий в анодах нейтралов и быстрых

20 электронов максимальна по оси каждой камеры, то плотность образующейся плазмы также неравномерна и для распределения плотности эмиссионного тока характерна концентрическая симметрия с максимумом плотности в центре напротив отверстия. В результате для получения хорошей равномерности распределения плотности эмиссионного тока по длине окна расстояние между газоразрядными камерами приходится делать небольшим, чтобы создать условия

888797

2 а = arctg — —, 3 1

20 для лучшего перекрывания распределений от отдельных разрядных камер. В описанной конструкции плазменного катода для получения на площади 80ХЗО см распределения с неравномерностью около 20 /О при общем токе эмиссии 15 А использовано четыре газоразрядных камеры, причем число камер определялось не из требуемого тока эмиссии катода, а из условий обеспечения требуемой равномерности распределения плотности тока.

Необходимость использования большого числа разрядных камер для улучшения распределения плотности тока эмиссии усложняет конструкцию плазменного катода, затрудняет синхронизацию зажигания разряда в камерах и снижает надежность работы катода.

Целью изобретения является улучшение равномерности распределения плотности тока эмиссии и упрощение конструкции пл азменного катода.

Указанная цель достигается тем, что в плазменном катоде, содержащем газоразрядные камеры на основе дугового контрагированного разряда с холодным катодом и общий экспандер, выполненный в виде полого цилиндра, на боковой поверхности которого расположено закрытое сеткой эмиссионное окно, продольный размер которого близок к высоте цилиндра и в несколько раз превышает размер окна, на торцах экспандера установлены две газоразрядные камеры, оси симметрии которых наклонены относительно продольной оси экспандера в направлении эмиссионного окна. Форма эмиссионного окна плоская с размерами, сравнимыми с требуемым размером пучка, в отличие от цилиндрической формы у прототипа, применявшейся для получения в плоскости коллектора пучка с поперечным размером сечения, превышающим диаметр экспандера. Требуемый угол наклона камер зависит от соотношения продольных и поперечных размеров экспандера.

На чертеже схематично изображен общий вид предложенного плазменного катода, содержащего две газоразрядные камеры 1 и цилиндрический экспандер 2, на боковой поверхности которого имеется эмиссионное окно 3, закрытое сеткой 4. Сетка заглублена в прикатодный электрод 5.

Плазменный катод работает следующим образом.

При подаче разрядного напряжения в камерах 1 одновременно зажигается дуговой контрагированный разряд. Ускоренные в двойном слое на входе,в канал контрагирования быстрые электроны начинают ионизировать в экспандере через разрядные камеры 1 рабочий газ. Образующаяся в экспандере плазма с более высоким, чем анодный, потенциалом способствует более полному выходу дуги в экспандер и обеспечи25

60 б5 вает условия для распределеипого горения разряда во всем об.ьеме экспандера, Зксиандер заполняется газоразрядиой плазмой, концентрация которой спадает по мере удаления от отверстий в анодах камер, вблизи которых плотность нейтралов и быстрых электронов максимальна. Распределение плотности плазмы аксиально симметричное с максимумом плотности по оси симметрии камер. Такой характер распределения позволяет компенсировать уменьшение концентрации плазмы к центру эмиссионного окна посредством наклона осей камер в его направлении. Оптимальный угол наклона камер зависит от соотношения размеров экспандера. Из результатов экспериментов следует, что величина угла может быть определена как: где d — поперечный размер экспандера;

/ — продольный размер экспандера.

Извлечение электронов при работе плазменного катода в источнике осуществляется через ячейки сетки 4 под действием проникающего через ячейки ускоряющего напряжения. Для плоскопараллельной геометрии ускоряющего промежутка распределение плотности эмиссионного тока соответствует распределению плотности тока по сечению пучка и полностью определяется распределением плотности плазмы у поверхности эмиссионного окна. Меняя заглубление сетки 4 в прикатодном электроде 5, можно формировать пучок с заданной угловой расходимостью и требуемыми размерами в плоскости коллектора.

Испытания опытного образца предложенного плазменного катода с большой эмиттирующей поверхностью показали, что установка на торцах цилиндрического экспандера двух газоразрядных камер с наклоном осей симметрии камер в направлении расположенного на боковой поверхности экспандера эмиссионного окна позволяет получить в плазменном катоде равномерность распределения плотности эмиссионного тока не хуже, чем при использовании многоэлементных термокатодов. В то же время применение плазменного катода позволяет значительно снизить потребляемую катодом мощность, особенно при работе в импульсном режиме, увеличивает срок непрерывной работы катода и делает его некритичным к вакуумным условиям. По сравнению с плазменным катодом, взятым в качестве прототипа, предлагаемый катод позволяет улучшить распределение плотности эмиссионного тока, уменьшить количество газоразрядных камер и, как следствие этого, упростить конструкцию и повысить надежность работы плазменного катода.

Для опытного образца плазменного катеда с размерами эмиссионного окна 60Х

888797

Формула изобретения

Составитель А. Рахимов

Техред О. Павлова

Редактор Е. Зубиетова

Корректор 3. Тарасова

Заказ 1674/4 Изд. № 237 Тираж 856 Подписное

НПО «Поиск» Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, )К-35, Раушская наб., д. 4/5

Типография, пр. Сапунова, 2

Х15 см - при о.=8 и общем разрядном токе камер 20 А неравномерность распределения плотности эмиссионного тока не превышала 10%.

Газоразрядный плазменный катод, содержащий газоразрядные камеры и экспандер, выполненный в виде полого цилиндра, на боковой поверхности которого расположено закрытое сеткой эмиссионное окно, продольный размер которого равен длине цилиндра и превышает поперечный размер окна, отличающийся тем, что, с целью улучшения равномерности распределения плотности тока эмиссии и упрощения конструкции плазменного катода, на торцах экспандера установлены две газоразрядные камеры, оси симметрии которых наклонены

5 относительно продольной оси экспандера в направлении эмиссионного окна, Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент США № 3863163, кл. Н 01Н

29)48, Н OIH 33/00, 28.01.80.

2. Казьмин Г. С. и др. Электронный диодный ускоритель с большим сечением пуч15 ка. Приборы и техника эксперимента,1977, N 4, с. 19 (прототип).