ПЛАЗМЕННЫЙ ЭМИТТЕР ЭЛЕКТРОНОВ
PLASMA EMITTER OF ELECTRONES

Изобретение относится к технике получения низкотемпературной плазмы и может быть использовано в источниках электронных и ионных пучков в качестве эмиттера.
Плазменные эмиттеры на основе дугового разряда с холодным (не накаливаемым до термоэмиссонных температур) полым катодом имеют широкое применение в устройствах для генерации низкотемпературной плазмы. Одним из главных преимуществ устройств на основе дугового разряда низкого давления с полым катодом является перепыление испаряемого в катодном пятне материала внутренних стенок полости с относительно малым его выходом через катодную апертуру, что позволяет значительно ослабить эрозию стенок полости. В отличие от термоэмиссионных катодов холодные полые катоды позволяют генерировать плазму химически активных газов без существенного снижения ресурса и не требуют значительных энергозатрат на цепь накала. Несмотря на значительно больший ресурс холодного полого катода по сравнению с термоэмиссионным катодом достигнутый к настоящему времени ресурс таких систем оказывается все же недостаточным для их широкого промышленного использования. Поэтому одним из основных требований, предъявляемых к дуговым холодным полым катодам в технологических установках, остается обеспечение их высокого ресурса.
Известно устройство, в котором для эмиссии электронов используется плазменный эмиттер электронов на основе дугового разряда с катодным пятном, причем катодное пятно функционирует на внутренней поверхности катодной полости [1]. Для стабильного функционирования дугового разряда в условиях пониженного давления на полый катод накладывается внешнее магнитное поле, формируемое магнитной катушкой. Недостатком такого плазменного эмиттера является интенсивная эрозия внутренней поверхности боковых стенок полого катода, вызванная радиальным движением катодного пятна в максимуме магнитного поля (образование канавки). Проблема частично решается либо перемещением магнитной катушки, либо использованием системы нескольких катушек и сканированием магнитного поля вдоль катода. Однако и в том, и в другом случае интенсивный унос материала с боковых стенок катода и его оседание на торцах катода приводит к необходимости периодичной замены катода целиком.
Наиболее близким устройством по наибольшему количеству общих признаков к предлагаемому изобретению и взятым нами за прототип является холодный полый дуговой катод с удержанием катодных пятен дуги внутри него с помощью саморазогревающейся тугоплавкой втулки. Благодаря высокой температуре стенок втулки металл рабочей полости катода, распыляемый в катодных пятнах дуги, испаряется с них и вновь оседает на поверхности рабочей полости. Размеры втулки, обеспечивающие оптимальную температуру испарения, находятся из баланса мощности, выделяемой разрядом на стенках и отводимой от них излучением, либо экспериментальным путем [2].
Причиной, препятствующей достижению указанного ниже технического результата при использовании указанного устройства, является наличие накаленных деталей, что снижает ресурс катода, особенно при работе с реактивными газами, а также необходимость подбора оптимального температурного режима саморазогревающейся трубки при изменении рабочих параметров разряда.
Задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является обеспечение простой и надежной конструкции плазменного эмиттера на основе дугового разряда, работающего в диапазоне разрядных токов от единиц до десятков ампер, при сохранении длительного ресурса катода, в том числе при работе с химически активными газами.
Поставленная задача при осуществлении изобретения решается за счет того, что в плазменном эмиттере электронов на основе дугового разряда с катодным пятном, состоящем из полого катода с выходной апертурой и поджигающего электрода, согласно изобретению на внутренней поверхности катодной полости установлен фрагмент металла, обладающий более низким пороговым током существования катодного пятна, чем металл, из которого выполнен полый катод, и обеспечивающий в процессе горения разряда напыление и восстановление пленки металла с низким пороговым током на всей внутренней поверхности полого катода.
В процессе горения разряда пленка металла с более низким пороговым током (рабочий материал) покрывает всю внутреннюю поверхность катодной полости, что обеспечивает полное отсутствие эрозии металла с высоким пороговым током (корпуса) при токе разряда в диапазоне между пороговыми токами существования катодного пятна для этих двух металлов.
Для предотвращения выхода катодного пятна из полости на внешнюю поверхность на торце полого катода с выходной апертурой может быть установлен экран с соосной апертурой, либо находящийся под плавающим потенциалом посредством керамических изоляторов, либо выполненный из тугоплавкого материала и имеющий тот же потенциал, что и полый катод.
Также для предотвращения выхода катодного пятна из полости на внешнюю поверхность выходная апертура полого катода может быть выполнена в виде втулки из тугоплавкого материала.
Сущность изобретения заключается в том, что дуговой разряд функционирует в диапазоне токов разряда между пороговыми токами двух выбранных материалов катода. Катод поддерживается интегрально холодным, внешнее магнитное поле и накаленные элементы отсутствуют. В этом случае катодное пятно функционирует преимущественно на поверхности рабочего материала, способствуя его равномерному распределению по всей поверхности корпуса катода. По мере локальной выработки рабочего материала до основы с высоким пороговым током катодное пятно переходит на соседний участок рабочего материала с более низким пороговым током. Полая форма катода способствует запылению выработанного участка новой пленкой материала с низким пороговым током. При достаточном количестве рабочего материала корпус катода практически не подвергается эрозии и не требует замены в течение всего срока эксплуатации. При этом физический принцип работы такого эмиттера не требует определения оптимальных температурных рабочих параметров его элементов.
С целью выбора подходящего рабочего материала для изобретения были проведены экспериментальные исследования минимального стабильного тока стационарного дугового контрагированного разряда различных рабочих материалов полого катода.
Корпус катода может быть выполнен из меди либо другого материала с высоким пороговым током дугового разряда (например, тантала).
Результаты эксперимента представлены в таблице.
Минимальный стабильный ток стационарного дугового контрагированного разряда для различных рабочих материалов катода
Элемент
Sn
Ag
Al
Bi
Mg
Минимальный ток дуги, А
18
12
10
3
2,5
Исследования показали, что в качестве рабочего материала для внутреннего пленочного покрытия катода могут использоваться висмут либо магний, имеющие минимальный ток устойчивого горения дугового разряда (2,5-3 А), что обеспечит более стабильное функционирование эмиттера по сравнению с другими материалами при одном и том же токе дугового разряда.
Конструкция плазменного эмиттера схематично представлена на фиг.1. Устройство содержит водоохлаждаемый полый катод 1, покрытый с внутренней стороны пленкой рабочего материала 2, поджигающий электрод 3, выполненный в форме острия, отверстие для напуска рабочего газа 4, выходную апертуру 5, анод 6, изолятор 7 и экран 8.
На фиг.2 показан вариант конструкции плазменного эмиттера, в котором для предотвращения выхода катодного пятна из полости на внешнюю поверхность катода используется втулка 9, выполненная из тугоплавкого материала с высоким пороговым током образования катодного пятна, например вольфрама или молибдена.
-4
Устройство работает следующим образом. Вакуумная камера, на которую установлен плазменный эмиттер, откачивается до остаточного давления не выше 1·10 Торр. В полость полого катода 1 подается рабочий газ. К катоду 1 и аноду 6 прикладывается постоянный потенциал (Udis). Инициирование дугового разряда осуществляется подачей поджигающего высоковольтного сильноточного импульса между поджигающим электродом 3 и полым катодом 1 (Utrig) либо кратковременным повышением давления газа в полости катода. Образовавшаяся в результате пробоя разрядного промежутка в полом катоде предварительная плазма обеспечивает зажигание дугового контрагированного разряда в непрерывной форме между катодом 1 и анодом 6 с напряжением горения (20-60) В.
Для первоначального нанесения рабочей пленки на стенки в полость катода 1 помещается фрагмент рабочего материала 2 произвольной формы, имеющий с ним электрический контакт. Однородное запыление стенок катода 1 пленкой рабочего материала 2 осуществляется в течение первых нескольких часов работы. Это происходит за счет того, что при токе дугового разряда меньше порогового тока для материала катода 1 катодные пятна функционируют преимущественно на поверхности рабочего материала 2 с более низким пороговым током. Через несколько часов внутренние стенки полого катода 1 полностью покрываются пленкой рабочего материала 2 и функционирование катодных пятен осуществляется только на поверхности пленки. При этом корпус полого катода 1 не подвергается эрозии и имеет неограниченный срок службы. В отсутствие магнитного поля катодное пятно перемещается по всей внутренней поверхности полости произвольным образом, что способствует ее равномерной выработке и запылению. Хорошая адгезия пленки рабочего материала к стенкам охлаждаемого полого катода обеспечивает ее эффективное охлаждение. Таким образом, единственным механизмом переноса рабочего материала 2 внутри полости является перенос в результате функционирования катодных пятен. Выход рабочего материала 2 из полости зависит от отношения площади выходной апертуры 5 к площади полной внутренней поверхности полого катода 1. Использование тугоплавких материалов для корпуса полого катода 1 обеспечивает расширение рабочего диапазона тока дугового разряда в область больших значений.
Таким образом, данное изобретение в отличие от указанных ранее устройств обеспечивает простую и надежную конструкцию плазменного эмиттера, имеющего длительный ресурс, в том числе при работе с химически активными газами.
Литература
1. Патент RU №2227962. Григорьев С.В. Коваль Н.Н. Щанин П.М. 2002.06.17.
2. Донин В.И., Шипилов А.Ф., Григорьев В.А. Мощные непрерывные ионные лазеры с увеличенным сроком действия // Квантовая электроника, 6, 1979, №2.