ШИРОКОАПЕРТУРНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ С ПЛАНАРНОЙ ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМОЙ
WIDE-APERTURE ACCELERATOR WITH PLANAR ELECTRON-OPTICAL SYSTEM

Изобретение относится к элементам конструкций электронно-оптических и ионно-оптических устройств, в частности к конструктивным элементам для широкоапертурных низкоэнергетичных (100÷300 кэВ) ускорителей, и может быть использовано в радиационных технологиях, плазмохимических реакторах, газовых электроионизационных лазерах, а также других областях техники, где требуется синхронно облучать поверхности или газовые объемы большого поперечного сечения.
2
Известен ускоритель электронного пучка (Патент US 5962995 «Electron beam accelerator», filled 01.02.1997, date of patent 10.05.1999), содержащий катодно-сеточный блок с проволочными термоэмиттерами, формирующую сетку и выводное окно для электронного пучка, состоящее из опорной решетки из медного сплава, перфорированной круглыми отверстиями, на внешней поверхности которой вакуумплотно установлена металлическая фольга. В ускорителе известной конструкции опорная решетка обеспечивает механическую прочность фольги при перепаде давления вакуум-атмосфера и отвод тепла, рассеиваемого в фольге при прохождении электронного пучка. Формирование пучка с круглым поперечным сечением ~4 см в известном устройстве происходит в катодно-сеточном блоке, а его ускорение производится в промежутке между катодно-сеточным блоком и выводным окном за счет разности потенциалов. Опорная решетка в устройстве имеет высокую геометрическую прозрачность (~80%) за счет размещения отверстий диаметром 3,1 мм с перемычками между ними ~0,2 мм в порядке гексагональной упаковки. Толщина опорной решетки в известном устройстве составляет 5 мм, что является достаточным для обеспечения ее механической прочности при указанных выше параметрах.
2
Однако при генерации пучка с большой площадью сечения (~1 м) для обеспечения механической прочности опорной решетки при перепаде давления вакуум - атмосфера ее толщина должна быть увеличена. Поскольку подлетающий к опорной решетке пучок имеет угловое распределение, определяемое геометрическими параметрами (диаметр и шаг расположения проволочных термоэмиттеров, геометрия сетки, расстояния между электродами) и электрическими параметрами (потенциал сетки, ускоряющее напряжение, ток накала термоэмиттеров), увеличение толщины опорной решетки приводит к росту потерь электронов на стенках отверстий в опорной решетке, снижает эффективность вывода пучка (КПД ускорителя) и, соответственно, плотность тока выведенного пучка электронов.
Известен также широкоапертурный ускоритель, содержащий катодно-сеточный блок, включающий проволочные термоэмиттеры, по крайней мере, одну сетку, выводное окно для электронного пучка, состоящее из охлаждаемой опорной решетки из медного сплава, выполненной в форме пластины, перфорированной щелевыми отверстиями, продольные оси которых перпендикулярны осям термоэмиттеров, и металлической фольги, вакуумплотно установленной на внешней поверхности опорной решетки. (Г.А. Баранов, Л.В. Бодакин, В.А. Гурашвили и др. «Приборы и техника эксперимента», 2013, №1, с. 81-85).
В известном ускорителе генерация и формирование электронного пучка большого сечения происходит в катодно-сеточном блоке, а его ускорение - в электрическом поле между катодно-сеточным блоком и выводным окном. Выводное окно имеет геометрическую прозрачность ~60% при толщине опорной решетки 25 мм.
Для снижения потерь электронов на стенках отверстий опорной решетки последние выполнены в виде щелей, продольные оси которых перпендикулярны осям термоэмиттеров и стержней сетки, поскольку основная составляющая поперечных скоростей электронов вследствие рассеивающего действия сетки как электронной линзы перпендикулярна осям эмиттеров и стержней сетки.
Однако в известном широкоапертурном ускорителе часть ускоренного пучка электронов (~40%) поглощается опорной решеткой в соответствии с ее геометрической прозрачностью. Тепловая мощность этих потерь складывается с тепловой мощностью, выделяющейся в фольге при прохождении электронного пучка, что определяет температуру фольги и ограничивает плотность тока пучка электронов, выведенного из ускорителя известной конструкции, поскольку основным критерием работоспособности и долговечности фольги является ее максимальная температура в центре отверстий опорной решетки. В соответствии с экспериментальными данными допустимые рабочие температуры фольги, например, из алюминиевого сплава АМг-2н составляют 100÷120°С; при температуре выше 150°С наблюдается потеря вакуумной плотности фольги, а при температурах 120÷140°С существенно снижается ее срок службы.
Задачей создания изобретения является повышение плотности тока выведенного пучка электронов при одновременном исключении повышения температуры фольги выше допустимой.
Поставленная задача решается за счет того, что в широкоапертурном ускорителе с планарной электронно-оптической системой, содержащем катодно-сеточный блок, включающий проволочные термоэмиттеры, по крайней мере, одну сетку, выводное окно для электронного пучка, состоящее из охлаждаемой опорной решетки из медного сплава, выполненной в форме пластины, перфорированной щелевыми отверстиями, продольные оси которых перпендикулярны осям термоэмиттеров, и металлической фольги, вакуумплотно установленной на внешней поверхности опорной решетки, выводное окно содержит дополнительную пластину, расположенную относительно опорной решетки со стороны катодно-сеточного блока, опорная решетка и дополнительная пластина перфорированы расположенными с одинаковым шагом параллельными рядами щелевых отверстий, щелевые отверстия опорной решетки и дополнительной пластины имеют одинаковую конфигурацию, соосны и расположены друг над другом, опорная решетка и дополнительная пластина снабжены каналами охлаждения, проходящими между рядами щелевых отверстий перпендикулярно их длинным сторонам, при этом опорная решетка и дополнительная пластина расположены на расстоянии, исключающем тепловой контакт.
В широкоапертурном ускорителе предлагаемой конструкции выводное окно содержит дополнительную пластину, которая предпочтительно выполнена из медного сплава, перфорированную так же, как опорная решетка, и расположенную относительно опорной решетки со стороны катодно-сеточного блока.
Дополнительная пластина перехватывает часть падающего на нее электронного пучка в соответствии со своей геометрической прозрачностью, профилирует пучок, исключая часть пучка, падающую на «непрозрачное» поле опорной решетки и тем самым снижает тепловую нагрузку на опорную решетку. Механическую нагрузку дополнительная пластина практически не несет.
Опорная решетка вместе с фольгой должна механически выдерживать полный перепад давления и снимать тепловую нагрузку, обусловленную потерями пучка в фольге и в самой решетке. Снижение тепловой нагрузки на опорную решетку с фольгой позволяет увеличить среднюю плотность тока выводимого электронного пучка при сохранении величины допустимой температуры фольги.
Величина тепловой нагрузки, которая может быть уменьшена за счет экранирования ускоренного пучка электронов дополнительной пластиной, выполненной в соответствии с предлагаемым изобретением:
Q=I×U×(1-η), [Вт],
где: η - геометрическая прозрачность дополнительной пластины 0<η<1,
I - ток пучка, [А],
U - ускоряющее напряжение, [В].
Расстояние между опорной решеткой и дополнительной пластиной должно исключить тепловой контакт между ними для предотвращения передачи в процессе работы ускорителя тепловой мощности от пластины к опорной решетке, однако увеличение этого расстояния сопровождается увеличением общей толщины выводного окна, что приводит к некоторому росту потерь пучка.
Опорная решетка и дополнительная пластина перфорированы расположенными с одинаковым шагом параллельными рядами щелевых отверстий. Щелевые отверстия в опорной решетке и дополнительной пластине имеют одинаковую конфигурацию, соосны и расположены друг над другом, что позволяет минимизировать потери пучка на структуре выводного окна.
Как опорная решетка, так и дополнительная пластина снабжены каналами охлаждения, проходящими между рядами щелевых отверстий перпендикулярно их длинным сторонам, что обеспечивает независимое охлаждение как дополнительной пластины, так и опорной решетки.
Каналы охлаждения, термоэмиттеры и стержни сетки (сеток) параллельны, продольные оси щелевых отверстий располагаются перпендикулярно им. Учитывая, что основные составляющие поперечных скоростей электронов электронного пучка, подлетающих к опорной решетке, направлены по оси щелевых отверстий, такая компоновка обеспечивает повышение коэффициента вывода электронного пучка, а следовательно, и повышение плотности тока выведенного пучка электронов.
Изобретение поясняется чертежами:
Фиг. 1 - Выводное окно широкоапертурного ускорителя - вид сверху;
Фиг. 2 - Разрез А-А на Фиг. 1;
Фиг. 3 - Широкоапертурный ускоритель в разрезе;
Фиг. 4 - Зависимости плотности тока выведенного пучка от ускоряющего напряжения.
Широкоапертурный ускоритель содержит катодно-сеточный блок 1, включающий проволочные термоэмиттеры 2, по крайней мере, одну сетку 3 и выводное окно для электронного пучка, состоящее из охлаждаемой опорной решетки 4, дополнительной пластины 5 и металлической фольги 6, вакуумплотно установленной на внешней поверхности опорной решетки. Опорная решетка и дополнительная пластина перфорированы сквозными щелевыми отверстиями 7. Опорная решетка и дополнительная пластина также имеют каналы охлаждения 8, проходящие между рядами щелевых отверстий перпендикулярно их длинным сторонам. Все элементы широкоапертурного ускорителя размещены в корпусе вакуумной камеры 9. Катодно-сеточный блок закреплен в корпусе вакуумной камеры с помощью проходного изолятора 10.
На Фиг. 4: кривая 1 - зависимость плотности тока выведенного пучка электронов от ускоряющего напряжения для ускорителя с выводным окном, состоящем из опорной решетки и металлической фольги; кривая 2 - зависимость плотности тока выведенного пучка электронов от ускоряющего напряжения для ускорителя с выводным окном, содержащем дополнительную пластину, выполненную в соответствии с предлагаемым изобретением.
Устройство работает следующим образом.
a
c
На катодно-сеточный блок 1 триодного типа относительно корпуса вакуумной камеры 9 подается ускоряющее напряжение U=-180 кВ. На термоэмиттеры 2 от источника питания подается ток накала ~200 А. При достижении рабочей температуры термоэмиттеров 1950÷2000 К подается отпирающее напряжения U=-100 В между сеткой 3 и термоэмиттерами 2. При указанных напряжениях обеспечивается генерация, формирование и ускорение к выводному окну пучка электронов, который затем выводится через фольгу 6. Ускорение пучка электронов происходит в промежутке между сеткой и выводным окном ускорителя до энергии:
а
Е=U×е=180 кэВ,
a
где: U - ускоряющее напряжение,
е - заряд электрона.
Величина тока пучка ускоренных электронов в общем случае определяется законом «степени 3/2» как для триодных, так и для тетродных электронно-оптических систем:
с1
c2
где: U, U - потенциалы сеток,
a
U - ускоряющее напряжение,
1
2
D, D - проницаемость сеток,
c1
F - эффективная площадь первой сетки,
c1
х - расстояние первая сетка-катод - геометрические характеристики системы
k, α - поправочные коэффициенты.
Выводное окно (Фиг. 3) состоит из опорной решетки 4 с вакуумноплотно установленной на ней фольгой 6 и дополнительной пластины 5. Опорная решетка и дополнительная пластина перфорированы щелевыми отверстиями. Щелевые отверстия в решетке и пластине расположены соосны и расположены друг над другом. В частном случае: длина щелей - 50 мм, ширина щелей - 6 мм, перемычка между длинными сторонами щелей - 1,5 мм, между рядами щелей - 10 мм. Опорная решетка и дополнительная пластина снабжены каналами охлаждения 8 (Фиг. 2), проходящими между рядами щелевых отверстий перпендикулярно их длинным сторонам. Протекающий по каналам охлаждения хладагент, в частности вода, обеспечивает теплосъем как с дополнительной пластины, так и с опорной решетки с фольгой.
При подлете к выводному окну электроны имеют поперечные составляющие скорости, как перпендикулярно осям термоэмиттеров и сетки, так и вдоль них. Это связано с влиянием сетки как короткофокусной рассеивающей электронно-оптической линзы и действием магнитного поля тока накала термоэмиттеров (магнетронным эффектом) на траектории движения электронов.
2
На выводное окно площадью S=0,351×0,466 м падает ускоренный пучок электронов. Результаты численных траекторных расчетов показывают, что электроны подлетают к выводному окну с различными углами. В поперечном к осям термоэмиттеров направлении полуширина угла расхождения пучка ~2÷2,5°, а в направлении вдоль термоэмиттеров - на порядок меньше. Поэтому щелевые отверстия 7 в опорной решетке 4 сориентированы в направлении преимущественных поперечны углов подлетающих электронов, т.е. большие оси отверстий перпендикулярны осям термоэмиттеров. Это позволяет уменьшить потери электронного пучка на стенках отверстий в опорной решетке.
На расстоянии 17 мм от опорной решетки со стороны катодно-сеточного блока установлена дополнительная пластина.
Дополнительная пластина перехватывает часть падающего на нее электронного пучка в соответствии со своей геометрической прозрачностью, профилирует пучок, исключая эту часть при падении пучка на опорную решетку. Поскольку величина этих потерь определяется, в основном, геометрической прозрачностью дополнительной пластины их можно описать следующим выражением:
0
a
Р=(1-η)×S×j×U=11,8 кВт,
где: η≈60% - геометрическая прозрачность дополнительной пластины,
0
2
j=100 мкА/см - плотность тока ускоренного пучка электронов, падающего на дополнительную пластину,
a
U=180 кВ - ускоряющее напряжение,
2
S=1635 см - сечение электронного пучка.
Величина общей мощности электронного пучка в этом случае составляет 29,43 кВт. Экспериментально измеренная мощность выведенного пучка составляла ~11 кВт. Таким образом, дополнительная пластина перехватывает 65÷70% общих потерь электронного пучка в широкоапертурном ускорителе.
В предлагаемом изобретении задача решается за счет переноса этих потерь на охлаждаемую дополнительную пластину 5. Причем нагрев дополнительной пластины не оказывает влияния на опорную решетку с фольгой.
ф
Максимальное значение плотности выведенного тока пучка через выводное окно с опорной решеткой, перфорированной щелевыми отверстиями, продольные оси которых перпендикулярны осям термоэмиттеров, и алюминиевой фольгой, ограничивается температурой фольги в центре щелевой ячейки (максимальное значение), которая не должна превышать t≤120°С. В общем случае эта температура складывается из следующих составляющих:
ф
0
п
к
ф
t=t+Δt+Δt+Δt,
ф
где: t - температура фольги в центре щелевой ячейки,
0
t - температура хладагента,
п
Δt - температурный перепад на ребре ячейки опорной решетки,
к
Δt - температурный перепад в зоне контакта фольга - опорная решетка,
ф
Δt - температурный перепад на фольге по ширине щели.
п
Предложенное техническое решение позволяет, как показывают приведенные выше оценки, снизить мощность, падающую на опорную решетку, и снизить перепад температуры на ребре ячейки опорной решетки Δt, что, в свою очередь, обеспечивает запас температуры фольги в центре ячейки и, следовательно, возможность увеличения плотности выведенного электронного тока.
0
Для определения величины выведенного тока непосредственно за выводным окном устанавливалась алюминиевая токоприемная пластина, заземленная через прибор измерения тока. На Фиг. 4 показаны результаты измерения плотности тока в зависимости от ускоряющего напряжения. Плотность тока вычислялась как отношение измеренного тока I к площади пучка S. На рисунке представлены две зависимости плотности тока пучка, выведенного через выводное окно от ускоряющего напряжения. Для ускорителя с традиционным выводным окном - кривая 1 и кривая 2 с выводным окном, выполненным в соответствии с предлагаемым изобретением. На основании данных, представленных на Фиг. 4, можно сделать вывод, что предлагаемое изобретение позволяет повысить плотность выведенного тока, по крайней мере, на 10%.