Ускоряющий промежуток импульсного форвакуумного источника электронов на основе дугового разряда
ACCELERATING GAP OF A PULSED 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.
2
Известно устройство, описанное в (патент РФ №2215383), предназначенное для генерации непрерывного электронного пучка, основанное на эмиссии электронов из газоразрядной плазмы. Устройство включает в себя полый катод, анод, ускоряющий электрод с отверстием в центре для формирования электронного пучка, изоляторы, размещенные на фланце, при этом эмиссионное отверстие перекрыто мелкоструктурной металлической сеткой. Между анодом и ускоряющим электродом помещен диск из термостойкого неорганического диэлектрика с отверстием в его центральной части. Это позволило повысить рабочее давление при сохранении электрической прочности ускоряющего промежутка. В этом устройстве плазма формируется тлеющим разрядом в полом катоде. При этом максимальный ток пучка ограничен током тлеющего разряда, так как с ростом тока тлеющий разряд переходит в дуговой. А также из-за особенностей тлеющего разряда сложно формировать пучок с большим током и большого сечения (более 10 см).
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.
2
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. Ускоряющий промежуток данного источника плазмы включает в себя: полую часть анода и плоскую часть анода, которые разделены электрическим изолятором. Полая часть анода представляет собой медный цилиндр диаметром 100 мм и высотой 90 мм. В плоской части анода из нержавеющей стали, есть эмиссионное окно диаметром 90 мм, закрытое мелкоструктурной сеткой из нержавеющей стали (размер ячейки 0,3×0,3 мм), и эта сетка также выполняет функцию эмиссионного электрода. Эмиссионный сетчатый электрод и ускоряющий сетчатый электрод (размер ячейки 0,2×0,2 мм) образуют ускоряющий промежуток источника. Электроды ускоряющего промежутка электрически изолированы высоковольтным изолятором. Изолятор сложной формы выполнен из капролона. Генерация электронного пучка в форвакуумном диапазоне давлений сопровождается формированием в ускоряющем промежутке и области транспортировки пучка обратного ионного потока, величина которого может достигать 10-15% от тока электронного пучка. Несмотря на то, что внутренний диаметр изолятора превышает диаметр эмиссионной апертуры, ионы обратного потока, вследствие рассеяния на рабочем газе могут попадать на поверхность высоковольтного изолятора и приводить к его локальной зарядке и, соответственно, к локальному усилению напряженности электрического поля. При более длинном импульсе тока увеличивается и время бомбардировки изолятора ионами обратного потока, что приводит к росту вероятности пробоя ускоряющего промежутка. Так же рост длительности импульса и/или тока пучка приводит к нагреву сетчатого эмиссионного электрода, что может вызвать деформацию высоковольтного изолятора. Поэтому длительность импульса данного источника электронов не превышает 10 мс, а ток эмиссии 30 А.
Для устранения недостатков разработано техническое решение со следующим техническим результатом:
Уменьшение теплопередачи от наиболее нагретой части плоского анода к высоковольтному изолятору, за счет изменения конструкции выступа высоковольтного изолятора (фиг. 1).
Техническое решение обеспечило значительно меньший нагрев высоковольтного изолятора, что существенно снизило выделение газа с поверхности высоковольтного изолятора в результате его нагрева и исключило возможность его температурной деформации. Уменьшение продуктов газовыделения в ускоряющем промежутке заметно снизило количество пробоев ускоряющего промежутка (не более 2 пробоев на 1000 импульсов).
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
Предлагаемое техническое решение
Ток разряда (I<sub>d</sub>)
до 40 А
до 100 А
Ускоряющее напряжение (U<sub>a</sub>)
до 10 кВ
до 10 кВ
Ток эмиссии (I<sub>e</sub>)
до 30 А
до 90 А
Ток пучка (I<sub>b</sub>)
до 25 А
до 65 А
Длительность импульсов тока пучка (τ<sub>d</sub>)
0,05-10 мс
0.05-20 мс
Энергия пучка в импульсе
до 2000 Дж
до 3300 Дж
Рабочие диапазоны давлений
3-30 Па
3-30 Па
2
Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежом, представленным на фиг. 1. конструкции ускоряющего промежутка импульсного форвакуумного источника электронов на основе дугового разряда. Ускоряющий промежуток источника образован двумя электродами: плоским анодом 1 и ускоряющим электродом (экстрактором) 2. Электроды укоряющего промежутка разделены высоковольтным изолятором 3, изготовленным из капролона. Экстрактор 1 состоит из кольца 4 (внешний и внутренний диаметры 128 мм и 114 мм соответственно), выполненного из нержавеющей стали толщиной 5 мм, и сетки 5 из нержавеющей стали, размером 2,5×2,5 мм. С помощью стоек 6 кольцо экстрактора 4 крепится к основанию электронного источника 7. Плоский анод 1 состоит из сетки 8 натянутой с помощью колец 9, которые крепятся к основанию 10 плоского анода 1. Основное отличие от прототипа заключается в изменении конструкции внутренней части высоковольтного изолятора 3. В области контакта колец 9 с выступом высоковольтного изолятора 3 сделано углубление 11 глубиной 1 мм и протяженностью 13 мм. Данное решение снизило площадь контакта высоковольтного изолятора с горячей областью плоского анода, что обеспечило уменьшение нагрева данного изолятора и существенно снизило выделение газа с его поверхности в результате нагрева и исключило возможность его температурной деформации.
Ускоряющий промежуток импульсного форвакуумного источника электронов на основе дугового разряда работает следующим образом. По достижении в вакуумной камере давления 3-30 Па при подаче разрядного напряжения в плазменном эмиттере электронного источника зажигается дуговой разряд с катодным пятном и вблизи эмиссионного окна плоского анода формируется плазма. При приложении напряжения между плоским анодом 1 и экстрактором 2 электронного источника происходит эмиссия электронов из плазменного эмиттера и формирование электронного пучка. Процессы генерации пучка сопровождаются нагревом различных частей источника электронов, в том числе и плоского анода 1. За счет изменения формы высоковольтного изолятора 3 удалось значительно уменьшить его нагрев, что привело к отсутствию его деформации и газовыделению с поверхности, и как следствие уменьшению количества пробоев ускоряющего промежутка (пробой ускоряющего промежутка является не рабочим режимом функционирования источника электронов).