ВАКУУМНЫЙ ДИОД
DIODE TUBE

Изобретение относится к технике получения сильноточных электронных пучков с большой площадью поперечного сечения и может использоваться для возбуждения мощных газовых лазеров, в радиационной технологии, плазмохимии, а также для решения задач защиты окружающей среды.
Известен вакуумный диод [1], содержащий вакуумную камеру, анод, функцию которого выполняет газонаполненная кювета, изготовленная в виде полого шестигранника с окнами на поверхности граней, закрытыми тонкой фольгой для ввода электронного пучка в газ, обечайку - металлический цилиндр большого диаметра и длины, выполняющий функции катододержателя, взрывоэмиссионные катоды, пластины обратных токопроводов. Кювета и обечайка располагаются соосно с вакуумной камерой. Взрывоэмиссионные катоды установлены на внутренней поверхности обечайки напротив фольговых окон. Для предотвращения пинчевания пучка диод разделен пластинами обратных токопроводов на 6 магнитно-экранированных друг от друга секций. Пластины установлены между катодами вдоль оси системы и имеют электрический контакт с кюветой и вакуумной камерой. Узлы пластин в сборе имеют П-образную форму, позволяющую разместить их без пересечения с обечайкой, находящейся под высоким отрицательным потенциалом. Наличие обечайки не требует большого числа токовводов в вакуумную камеру - подача напряжения к катодам осуществляется через два токоввода от двух генераторов с помощью вакуумных линий. Недостатком диода являются относительно большие размеры (диаметр вакуумной камеры 1390 мм при диаметре окружности, описанной вокруг поперечного сечения кюветы, 410 мм), что связано с необходимостью обеспечения надежной вакуумной изоляции между обечайкой и узлами пластин обратных токопроводов.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению аналогом [2], взятым за прототип, является вакуумный диод с обратными токопроводами, часть которых изготовлена в виде так называемых «средних» пластин (mid-plane current returns). Диод предназначен для 8-сторонней инжекции электронного пучка в газовую камеру и разделен на 8 магнитно-экранированных секций с помощью 4 пластин обратных токопроводов, соединяющих кювету со стенками вакуумной камеры, установленных между катодами вдоль оси кюветы, и 4 «средних» пластин, установленных в прямоугольных отверстиях большой длины, имеющихся в катододержателях, между двумя эмитирующими частями каждого из катодов. Протекание обратного тока в средних пластинах, как и пластинах, расположенных между катодами, приводит к уменьшению магнитного поля в диоде. Применение средних пластин позволяет увеличить число магнитно-экранированных секций вдвое по отношению к числу катодов, при этом напряжение от генератора подается через вакуумные вводы раздельно на каждый из катодов. Отсутствие общего катододержателя в виде обечайки позволяет уменьшить размеры вакуумного диода. В то же время из-за большого числа катодов и раздельной подачи напряжения на каждый из них число токовводов оказывается большим.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является уменьшение размеров вакуумного диода и числа токовводов в вакуумную камеру.
Указанный результат достигается тем, что в известном вакуумном диоде, содержащем вакуумную камеру, катоды, катододержатели с отверстиями, газовую камеру, являющуюся анодом, расположенную соосно с вакуумной камерой, обратные токопроводы, соединяющие анод со стенками вакуумной камеры и проходящие через отверстия в катододержателях, указанные токопроводы согласно изобретению изготовлены в виде стержней небольшого диаметра, равного или меньшего длины ускоряющего промежутка катод-анод.
Применение стержневых обратных токопроводов, как и пластин, позволяет уменьшить магнитное поле в диоде. Благодаря малому диаметру стержней для их установки не требуется изготовления отверстий большого диаметра или большой длины в катододержателях, препятствующих протеканию тока по катододержателю, что позволяет осуществить подачу напряжения от одного токоввода не только к двум эмитирующим частям одного катода, но и к нескольким катодам, и, в конечном счете, уменьшить число токовводов.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом на Фиг.1.
Вакуумный диод содержит вакуумную камеру 7, два катододержателя 2 с токовводами 3 и шестью катодами 4, шесть выводных окон 5, расположенных на боковой поверхности газовой камеры 6. Газовая камера, являющаяся анодом, соединена с вакуумной камерой двумя обратными токопроводами в виде пластин 7, расположенных между катодами. Пластины осуществляют деление диода на две магнитно-экранированные друг от друга секции. Кроме пластин для уменьшения магнитного поля между газовой камерой и стенкой вакуумной камеры установлены 16 стержневых обратных токопроводов 8, проходящих через отверстия с защитными экранами 9, изготовленные в катододержателях. Диаметр вакуумной камеры составляет 740 мм, диаметр газовой камеры 450 мм, длина межэлектродного зазора катод-анод 35 мм, диаметр стержней 20 мм, диаметр отверстий в катододержателях 100 мм. Напряжение на катоды подается через два токоввода от двух генераторов.
Работа диода описывается следующим образом. При подаче импульса напряжения амплитудой 500-550 кВ на диод происходит инициирование эмиссии на катодах 4 и генерация электронного пучка с суммарным током обеих секций 200-250 кА. Расчеты и измерения магнитного поля, выполненные на модели диода, показывают, что в отсутствие стержневых обратных токопроводов величина индукции магнитного поля в диоде на краях пучков вблизи пластин обратных токопроводов достигает 500 Гс. При таких значениях индукции электроны входят в фольгу под большими углами (считая от нормали к поверхности фольги), что приводит к значительным потерям энергии пучка при прохождении фольговых окон. Размещение стержневых обратных токопроводов в диоде обеспечивает появление обратных токов стержней, при этом магнитные поля на краях пучков, отбираемых с катодов, уменьшаются более чем в два раза до 200 Гс. Благодаря малым диаметрам стержней и отверстий в катододержателях наличие отверстий не препятствует протеканию токов вдоль катододержателей и не приводит к появлению паразитных магнитных полей, ухудшающих характеристики электронного пучка. Измерения энергии пучка, прошедшего фольговые окна, с помощью калориметров показали, что величина энергии, вводимой в газовую камеру при использовании стержневых обратных токопроводов, составляет 50% от энергии электронного пучка в диоде, как и в известных диодах [1, 2] с обратными токопроводами в виде пластин. При этом размеры диода, как и число токовводов, малы, что упрощает конструкцию диода, приводит к уменьшению его индуктивности, открывает возможности дальнейшего увеличения тока и энергии электронного пучка.
Источники информации
1. Kovalchuk, B.M., Abdullin, E.N., Grishin, D.M., Gubanov, V.P., Zorin, V.B., Kim, A.A., Kumpjak, E.V., Morozov, A.V., Skakun, V.S., Stepchenko, A.S., Tarasenko, V.F., Tolkachev, V.S., Schanin, P.M., & Tsoy, N.V. (2003). Linear transformer accelerator for the excimer laser. Laser and Particle Beams, 21, 295-299.
2. Kidd, A.K., Angood, S.M., Bailly-Salins, R., Carr, P.S., Hirst, G.J., & Shaw, M.J. (1993). The TITANIA amplifier module design. Pulsed Power System for TITANIA KrF Laser Module. In Proc. 9th IEEE Int. Pulsed Power Conf. (Prestwich, К. & Baker, W., Eds.), Albuquerque, New Mexico, 2, 718-722.