Плазменный эмиттер импульсного форвакуумного источника электронов на основе дугового разряда
PLASMA EMITTER OF A PULSE FOREVACUUM ELECTRON SOURCE BASED ON AN ARC DISCHARGE

Устройство относится к области плазменной техники и может быть применено при разработке электронно-лучевых устройств, а также использовано в электроннолучевой технологии, экспериментальной физике, плазмохимической технологии.
Известно устройство, описанное в (патент РФ №2120706) предназначено для генерации импульсных электронных пучков, основано на эмиссии электронов из газоразрядной плазмы. В этом устройстве плазма формируется взрывной эмиссией на микроостриях при резком скачке напряжения на промежутке катод-анод. При этом электронный пучок и плазма существуют лишь на протяжении долей микросекунды. Из-за особенностей взрывной эмиссии пучок невозможно формировать в большем временном промежутке.
В работах E. Oks, V. Burdovitsina, A. Medovnik, and Yu. Yushkov / Plasma electron source for the generation of wide-aperture pulsed beam at forevacuum pressures // Review of Scientific Instruments. - 2013. - V. 84. P. 023301, https://doi.org/10.1063/1.4789771; Ю.Г. Юшков, В.А. Бурдовицин, А.В. Медовник, Е.М. Окс / Форвакуумный плазменный источник импульсных электронных пучков. // Приборы и техника эксперимента. - 2011. - № 2. - С. 85-88 и патент №107657 на полезную модель описан форвакуумный плазменный электронный источник на основе импульсного тлеющего разряда. Данный источник способен работать в диапазоне давлений 5-15 Па. Однако, использование тлеющего разряда накладывает ограничение на ток пучка, он не может превышать 100 А, и на длительность импульса, она не может быть более 250 мкс. Связано это с возможностью неконтролируемого перехода тлеющего разряда в дуговую форму и последующим шнурованием (контракцией) разряда, что приводит в итоге к пробою ускоряющего промежутка.
В работе Н.Н. Коваль, В.Н. Девятков, С.В. Григорьев, Н.С. Сочугов / Плазменный источник электронов «СОЛО» // Труды II Международного Крейнделевского семинара «Плазменная эмиссионная электроника». - 2006. - С. 79-85 описана работа импульсного электронного источника на основе плазменного эмиттера с сеточной стабилизацией границы плазмы. Устойчивое зажигание и длительность горение основного разряда в дуговой форме определяется магниевым электродом, на котором функционирует катодное пятно. Недостатком является то, что в этой установке длительность импульса ограничена и не превышает 250 мкс, а энергий в импульсе не превышает 1000 Дж.
2
Наиболее близким аналогом является статья A.V. Kazakov, A.V. Medovnik, E.M. Oks / Generation of Millisecond Low-Energy Large-Radius Electron Beam by a Forevacuum Plasma-Cathode Source // IEEE Transactions on Plasma Science, 2019, Vol. 47, No. 8, P. 3579-3585. В статье описано устройство с плазменным эмиттером, который состоит из катодного узла, поджигающего электрода, сферического перераспределяющего электрода, цилиндрического и плоского анода, электрически изолированных друг от друга изолятором. Цилиндрический анод выполнен в виде медного цилиндра диаметром 100 мм и высотой 90 мм. В плоском аноде размещено эмиссионное окно диаметром 90 мм, перекрытое нержавеющей сеткой с размером ячейки 0.3 х 0.3 мм, которая выполняет роль эмиссионного электрода. Диаметр перераспределяющего электрода 12 мм. Плазменный эмиттер отделен от остальной части импульсного источника электронов высоковольтным изолятором. Катодный узел представляет собой медный стержень (катод) диаметром 5 мм, заключенный в керамическую трубку с внешним диаметром 10 мм. Трубка ограничивает рабочую область катода его торцевой поверхностью и одновременно служит для его электрической изоляции. Остальная часть медного стержня выполняет роль токоведущей части (токоввода). На конце керамической трубки имеется спил для размещения на нем поджигающего электрода. Трубка зафиксирована в торцевой части медного анода, герметичность этого сочленения обеспечивалась резиновым уплотнителем. Таким же способом осуществляется герметизация наружной части медного катода. Недостатком данного устройства является осуществление монтажа при атмосферном давлении, при этом, после откачки до рабочего давления 5-20 Па, может произойти отклонение катода от оси симметрии, что приводит к нестабильному зажиганию разряда. Также при работе в режимах с большой мощностью (током и/или длительностью импульса) происходит нагревание катодного узла, что в свою очередь приводит к деформации вакуумной резины, нарушению герметичности соединения, броску давления в источнике и как следствие возникновению пробоя ускоряющего промежутка.
Для устранения этих недостатков разработано техническое решение со следующими техническими результатами:
1) Увеличение площади теплового рассеяния за счет увеличения диаметров токоведущей части до 20 мм, катода до 6 мм.
2) Уменьшение теплопередачи от наиболее нагретой части катодного узла к капролоновому изолятору, за счет введения в конструкцию специальных защитных колец, обеспечивающих не плотный контакт между токовводом и капролоновым изолятором.
Техническое решение обеспечило значительно меньший нагрев токоввода, что привело к меньшему нагреву изолятора и соответственно снизило выделение газов в результате нагрева изолятора. В свою очередь продукты газовыделения перестали попадать в разрядную камеру и ускоряющий промежуток. Вследствие чего заметно снизилось количество пробоев ускоряющего промежутка (не более 2 пробоев на 1000 импульсов).
Также данное техническое решение позволяет установить (задать) оптимальное значение длины катод-анодного промежутка, которое отличается для различных режимов работы (для рода газа, давления).
3) Токоввод и катод были разделены, что позволило упростить сборку/разборку и техническое обслуживание плазменного источника при смене катода, в том числе соблюдение симметрии разрядного и ускоряющего промежутка.
В результате вышеописанных изменений увеличилась предельная энергия в одном импульсе и предельная средняя мощность (таблица 1).
Таблица 1 - параметры прототипа и модели
Вариант установки
Прототип [1]
Предлагаемое техническое решение
Ток разряда (Id)
до 40 А
до 100 А
Ускоряющее напряжение (Ua)
до 10 кВ
до 10 кВ
Ток эмисcии (Ie)
до 30 А
до 90 А
Ток пучка (Ib)
до 25 А
до 65 А
Длительность импульсов тока пучка (τd)
0.05-10 мс
0.05-20 мс
Энергий пучка в импульсе
до 2000 Дж
до 3300 Дж
Рабочие диапазоны давлений
3-30 Па
3-30 Па
2
2
Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежом, представленным на фиг.1. конструкция плазменного эмиттера импульсного форвакуумного источника электронов на основе дугового разряда. Основное отличие от прототипа заключается в замене медного стержня диаметром 5 мм внутри керамического изолятора с внешним диаметром 10 мм на составной узел, который включает в себя токоввод 1 из нержавеющей стали (включая защитные кольца 9), медный катод 10, Т-образный капролоновый изолятор 5  и керамический изолятор 11. Токоввод фиксируется прижимной шайбой 2 из нержавеющей стали с вакуумным уплотнением 3 в ответных отверстиях 4 металлической шайбы закрепленной в капролоновом изоляторе 5. Прижимная шайба 2 имеет внешний диаметр 42 мм, внутренний диаметр 26 мм и 4 отверстия диаметром под резьбу М4, симметрично расположенных на окружности радиусом 34 мм. Вакуумное уплотнение 3 реализуется с помощью вакуумной резины толщиной 4 мм в виде кольца с внешним диаметром 26 мм и внутренним 20 мм. Верхний узкий выступ токоввода 1 составляет в высоту 20 мм и имеет резьбу М6, выступ переходит в толстое основание диаметром 20 мм и длиной 55 мм, переходящий в утоньшение длиною 25 мм. На этом утоньшении располагаются защитные кольца 9. Внешний диаметр колец составляет 20 мм, а внутренний 11 мм. Фиксация защитных колец осуществляется за счет геометрии капролонового изолятора, так что при этом площадь контакта колец с токовводом мала. На этом утоньшении также имеется внешняя резьба М10 высотой 10 мм, на которой крепится керамический изолятор 11, и сделана внутренняя резьба М4 на глубину 15 мм для крепления медного катода 10. Вся длина токоввода составляет 100 мм. Длина медного катода 10 составляет 40 мм, диаметр основной часть 6 мм, а длина узкой части с нанесенной резьбой М4 равна 13 мм. Катод заключен в керамический изолятор 11 сложной «чашеобразной» формы, внешний диаметр верхней части составляет 14 мм, а диаметр нижней части 10 мм. На нижней части крепится поджигающий электрод 12 из нержавеющей стали с внешним диаметром 12 мм и высотой 6 мм. Т-образный капролоновый изолятор 5 имеет на внешнем диаметре шесть отверстий 6 диаметром 14 мм и глубиной 20 мм переходящим в отверстие с резьбой М4 для его крепления на цилиндрическом аноде (экспандере) 13 из нержавеющей стали с высотой цилиндра 135 мм и внутренним радиусом 114 мм и толщиной стенок 12 мм. Для это в цилиндрическом аноде 13 предусмотрены ответные отверстия 7 глубиной 12 мм с резьбой М4 и канавка размерами 2 × 6 мм для вакуумного уплотнения 8. В нижней части цилиндрического анода 13 для крепления изолятора 16 расположены отверстие 14 и канавка 15 схожие по параметрами с аналогичными 7 и 8. В изоляторе 17 располагаются отверстия для крепления фланца 18, в котором крепится сетчатый анод 19, выполненный в виде сетки с ячейкой 0.3 × 0.3 мм и с геометрической прозрачностью 60%.
Плазменный эмиттер импульсного форвакуумного источника электронов на основе дугового разряда работает следующим образом. По достижении в вакуумной камере давления 3-30 Па к промежутку катод-анод и одновременно на промежуток катод - поджигающий электрод подают импульсное напряжение от блока питания импульсного дугового разряда, который работает в условиях частичного разряда конденсатора. Дуговой разряд инициируется вспомогательным разрядом по поверхности керамического изолятора 11 между катодом 10 и поджигающим электродом 12. Подача импульса на поджигающий электрод 12 возбуждает скользящий разряд по поверхности диэлектрика (керамического изолятора 11), который создает вблизи катода плотную плазму. Ионы из плазмы вспомогательного разряда бомбардируют катод, инициируя на его поверхности катодное пятно, которое служит для развития дугового разряда в цепи катод-анод и заполнения плазмой полости плазменного эмиттера. При протекании тока разряда через токоввод 1 к поджигающему электроду 12 в нем выделяется Джоулево тепло. За счет изменения формы токоввода 1, включая размещение защитных колец 9, удалось значительно уменьшить нагрев токоввода 1, что привело к меньшему нагреву изолятора 5, отсутствию его деформации и газовыделению, и как следствие уменьшению количества пробоев ускоряющего промежутка (пробой ускоряющего промежутка является не рабочим режимом функционирования источника электронов). При приложении напряжения между сетчатым анодом 19 и экстрактором электронного источника (не изображен на рисунке) происходит эмиссия электронов из плазменного эмиттера и формирования электронного пучка.