ЭЛЕКТРОННАЯ ОТПАЯННАЯ ПУШКА ДЛЯ ВЫВОДА ЭЛЕКТРОННОГО ПОТОКА ИЗ ВАКУУМНОЙ ОБЛАСТИ ПУШКИ В АТМОСФЕРУ ИЛИ ИНУЮ ГАЗОВУЮ СРЕДУ
ELECTRONIC UNSOLDERED GUN FOR ELECTRON FLOW DISCHARGE FROM VACUUM FIELD GUN TO ATMOSPHERE OR OTHER GAS MEDIUM

Изобретение относится к электронной технике, а именно к электронным пушкам, предназначенным для вывода электронного потока из вакуумной области пушки наружу: в атмосферу или иную газовую среду, и может быть использовано в полупроводниковой электронике для создания мощных миниатюрных структур, в квантовой электронике при изготовлении электроионизационных лазеров, в медицине для стерилизации инструментов и поверхности биологических объектов, в плазмохимии для полимеризации и ускорения медленно протекающих химических реакций, а также в других областях техники.
2
2
2
В существующих электронных отпаянных пушках вывод высокоскоростного потока электронов из вакуумной области пушки наружу осуществляется через тонкую металлическую фольгу, при прохождении которой электроны выделяют в ней часть своей энергии, что приводит к нагреву фольги, ограничивая плотность мощности пушки (Вт/см). У металлов, используемых в качестве материала фольги, - титана, бериллия и т.п. коэффициент теплопроводности не превышает λ=2 Вт/(см·K), что не позволяет поднять среднюю плотность мощности электронной отпаянной пушки более 10 Вт/см при средней плотности тока 30-100 мкА/см / Симонов К.Г. Электронные отпаянные пушки. М. Радио и Связь, 1985, 125 с./.
Для повышения средней плотности мощности электронной отпаянной пушки применяют форсированные (принудительные) способы охлаждения фольги, реализуемые в виде каркаса из металлических трубок, имеющих тепловой контакт с фольгой, по которым протекает вода /Там же/.
Недостатком устройств, использующих принудительное водяное охлаждение, является то, что поток тепла ограничен теплопроводностью материала фольги, а также громоздкостью и сложностью конструкции.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является электронная отпаянная пушка для вывода ленточного электронного потока из вакуумной области пушки в атмосферу или иную газовую среду, включающая корпус в виде металлической трубы, в торцевой части которой расположено окно вывода электронов, выполненное в виде фольги, вакуумно-плотно соединенной с опорным основанием окна, и расположенные в корпусе соосно ленточный катод, продольная ось которого параллельна продольной оси окна вывода электронов, и фокусирующие электроды /Патент РФ №2267830/.
В данной электронной отпаянной пушке выводное окно выполнено в виде тонкой металлической фольги, укрепленной на продольных перемычках, по которым выделяемое в фольге тепло стекает к охлаждаемому основанию пушки.
Недостатком данной пушки является небольшая величина ее средней плотности мощности, так как отводимый поток тепла, выделенный в фольге, ограничен теплопроводностью металла фольги λ<2 Вт/(см·K) и материалом перемычек.
Задачей изобретения является устранение выше указанного недостатка.
Техническим результатом предложенного технического решения является повышение средней плотности мощности.
Указанная задача решается, а технический эффект достигается за счет того, что в электронной отпаянной пушке для вывода электронного потока из вакуумной области пушки в атмосферу или иную газовую среду, включающей корпус в виде металлической трубы, в торцевой части которой расположено окно вывода электронов, вакуумно-плотно соединенное с опорным основанием окна, и расположенные в корпусе соосно катод, продольная ось которого параллельна продольной оси окна вывода электронов, и фокусирующие электроды, окно вывода электронов выполнено из теплопроводящего диэлектрика переменной толщины по площади окна, поверхность диэлектрика, обращенная к катоду, имеет токопроводящее покрытие, при этом токопроводящее покрытие электрически соединено с опорным основанием и корпусом пушки.
Диэлектрическое окно вывода электронов выполнено из алмаза.
Поверхность диэлектрика, обращенная наружу, имеет токопроводящее покрытие, электрически связанное с корпусом пушки, при этом токопроводящие покрытия выполнены из металла.
Диэлектрическое окно состоит из толстых и тонких участков, последовательно сменяющих друг друга, по крайней мере, по одному из направлений, при этом вдоль толстых участков диэлектрического окна расположены трубки охлаждения, имеющие тепловой контакт с поверхностью структуры.
Опорное основание имеет систему охлаждения.
Сущность изобретения.
В ходе проведенных исследований были установлены следующие факты.
Существуют теплопроводящие диэлектрики с теплопроводностью, большей теплопроводности металлов фольг, например алмаз, у которого коэффициент теплопроводности λ=20 Вт/(см·K) значительно больше коэффициентов теплопроводности титана λ=0,2 Вт/(см·K), бериллия λ=2 Вт/(см·K) /Физические величины: Справочник / А.П. Бабичев, Н.А. Бабушкина и др. Под ред. И.С. Григорьева. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 1232 с./. Поскольку поток тепла в твердом теле прямо пропорционален его коэффициенту теплопроводности, то замена титана на алмаз при всех прочих равных условиях, повысит величину отводимой мощности в 100 раз, а по сравнению с бериллием в 10 раз.
Помимо высокой теплопроводности алмаз имеет более высокий предел прочности - σ=500 МПа, а у титана и бериллия с σ≈250 МПа /Там же/, что позволяет алмазу выдерживать больший перепад давления между вакуумом пушки и атмосферой при той же конструкции окна вывода электронов или делать окно тоньше, тем самым повысить плотность мощности.
Кроме того, глубина проникновения электронов в вещество имеет тенденцию расти при переходе от металлов к полупроводникам и далее к диэлектрикам /Там же/, что объясняется снижением потерь энергии высокоэнергичного электрона при его взаимодействии со свободными электронами вещества: у диэлектриков зона проводимости, где существуют свободные электроны, пуста. Это снижает энергетические потери потока электронов в окне, выполненном из диэлектрика.
Все три указанные выше преимущества теплопроводящего диэлектрика, в частности алмаза, по сравнению с металлами фольг, используемыми в существующих электронных отпаянных пушках, включая прототип, позволяют создать на базе диэлектрического окна вывода электронов электронную отпаянную пушку с существенно большей средней плотностью мощности. При сохранении площади окна возрастет средняя мощность пушки, кроме того, можно создать мощную электронную отпаянную пушку, работающую в непрерывном режиме.
При прохождении электронов сквозь диэлектрическое окно часть из них оседает в нем и диэлектрик заряжается. Нанесенный на поверхность диэлектрика тонкий токопроводящий слой электрически замкнут с опорным основанием окна и стенками пушки, при этом они вместе образуют токопроводящую полость, практически полностью охватывающую катод, фиг. 1. В такой конструкции заряд диэлектрика полностью экранируется токопроводящей полостью и не оказывает влияния на траектории электронов внутри пушки. Более того, этот отрицательный заряд не повлияет на скорости электронов после прохождения ими окна вследствие консервативности постоянного электрического поля: их торможение внутри диэлектрика скомпенсируется ровно таким же ускорением, после его прохождения (закон сохранения энергии).
пр
Накопление заряда в диэлектрике приведет к росту в нем напряженности электрического поля и, когда она достигнет пробойной величины E≈150 кВ/мм /Там же/, произойдет пробой диэлектрика: заряд мгновенно стечет через тонкий токопроводящий слой на землю. Вся энергия, выделенная в диэлектрике при пробое, перейдет в тепло. Ее объемная плотность равна , что приведет к росту температуры диэлектрика за один пробой  или ΔT=0,05 градуса для алмаза, т.е. стекание тока при пробое произойдет без перегрева и разрушения диэлектрика.
Таким образом, использование теплопроводящего диэлектрика с токопроводящим покрытием в качестве окна вывода электронной отпаянной пушки позволяет существенно повысить среднюю плотность мощности пушки.
На фиг. 1 схематично показана в разрезе электронная отпаянная пушка.
На фиг. 2 приведена в разрезе более эффективная конструкция диэлектрического окна переменной толщины с трубками охлаждения.
Электронная пушка состоит из катодного узла 1, включающего катод и фокусирующие электроды и закрепленного на катодном держателе 2 через высоковольтный изолятор 3 на торце корпуса 4. Соосно катодному узлу 1 на противоположном торце корпуса установлено диэлектрическое окно 5 с толстыми 6 и тонкими 7 участками для вывода электронов, вакуумно-плотно соединенное с основанием 8. Основание 8 вакуумно-плотно соединено с корпусом пушки 4. На поверхность диэлектрика, обращенную внутрь пушки, нанесен тонкий слой токопроводящего покрытия 9.
Электронная пушка работает следующим образом.
На катод, например прямонакальный, и фокусирующие электроды, выполненные, например, из молибдена, катодного узла 1 от высоковольтного источника(ов) питания (не показан) подается отрицательное относительно земли напряжение. Корпус пушки 4, выполненный, например, из стали, заземлен. Внутри пушки между катодным узлом 1 и корпусом 4 создано электрическое поле, которое формирует высокоскоростной поток электронов, эмитированных катодом, и направляет его на тонкие участки 7 диэлектрического окна 5 вывода электронов, выполненное, например, из алмаза. Поток электронов проходит сквозь тонкие участки 7 окна с малыми потерями, поскольку их толщина в несколько раз меньше глубины проникновения электронов в материал окна. Электроны, перехваченные диэлектрическим окном, после их накопления (см. выше), уходят из диэлектрика в токопроводящее покрытие 9, выполненное, например, из никеля толщиной 0,1-1 мкм, и стекают по нему на основание 8, выполненное, например, из стали, и далее на землю.
Выделяемая электронами внутри тонких участков 7 диэлектрика энергия отводится теплопроводящим диэлектриком через его толстые участки 6, например, к основанию 8. Поскольку коэффициент теплопроводности алмаза превышает аналогичные значения для бериллия в 10 раз, титана в - 100 раз, то во столько же раз возрастет средняя плотность мощности пушки при той же геометрии окна.
Помимо теплоотвода толстые участки 6 диэлектрического окна обеспечивают его прочность, т.е. выполняют функцию каркаса, а токопроводящее покрытие 9, электрически соединенное с основанием и корпусом пушки, обеспечивает экранировку внутреннего пространства пушки от заряда диэлектрика.
Таким образом, использование окна вывода электронов из теплопроводящего диэлектрика переменной толщины, например алмаза, с токопроводящим покрытием повышает среднюю плотность мощности электронной отпаянной пушки минимум на порядок при сохранении ее остальных параметров.
Для усиления эффекта диэлектрическое окно вывода электронов выполняют из алмаза - самого теплопроводящего из известных материалов.
Для исключения бомбардировки диэлектрического окна энергичными ионами из атмосферы внешняя поверхность окна имеет токопроводящее покрытие 10, электрически связанное с основанием пушки
Работа более эффективного диэлектрического окна пояснена на фиг. 2.
Тонкие 7 и толстые 6 участки периодически сменяют друг друга по одному из направлений, что позволяет обеспечить более высокую механическую прочность окна, так как толстые участки имеют форму «прочных балок», и равномерный теплоотвод от тонких участков, в которых идет тепловыделение, к толстыми участкам, через которые тепло (обозначен стрелками) отводится к основанию окна 8.
Использование трубок охлаждения 11 вдоль толстых участков диэлектрического окна, имеющих тепловой контакт с ними, повышает среднюю плотность мощности за счет сокращения пути теплопередачи от места его выделения до места его стока.
Для большей эффективности токопроводящие покрытия выполняют из металла, например никеля.
Для усиления эффекта и обеспечения прочности диэлектрического окна его выполняют из толстых и тонких участков, последовательно сменяющих друг друга, по крайней мере, по одному из направлений.
Для усиления эффекта применяют принудительное охлаждение, вводя вдоль толстых участков диэлектрического окна трубки охлаждения, имеющие тепловой контакт с поверхностью структуры, фиг. 2.
Для усиления эффекта основание окна принудительно охлаждают.