ВЗРЫВОЭМИССИОННЫЙ КАТОД ЭЛЕКТРОННОЙ ПУШКИ
EXPLOSION EMISSION CATHODE OF ELECTRON GUN

Изобретение относится к сверхвысокочастотной технике и может быть использовано при разработке катодов электронных пушек в интересах создания мощных генераторов сверхвысокочастотного (СВЧ) излучения.
Явление взрывной эмиссии предполагает формирование плазменного слоя с поверхности материала (эмиттера), когда структура поверхности способна к взрывной эмиссии, то есть предполагает наличие взрывного фазового перехода твердого материала катода из конденсированного состояния в плотную плазму.
Это явление лежит в основе функционирования взрывоэмиссионных катодов электронных пушек. При подаче высокого напряжения на вакуумный промежуток происходит взрыв микроскопических острий (эмиссионные центры) на катоде под действием протекающего термоавтоэмиссионного тока, в результате чего образуется катодная плазма.
Известен источник электронов, катод в котором выполнен в виде металлической подложки с равномерно распределенными по площади остриями, работающий на явлении взрывной электронной эмиссии [Василевский М.А., Ройфе И.М., Энгелько В.И. Об особенностях работы взрывоэмиссионных многоострийных катодов в микросекундном диапазоне длительностей импульса. ЖТФ, 1981, т. 51, в. 6, с. 1183-1194 [1]).
Существенным недостатком этого источника является плохая пространственная однородность плотности катодной плазмы, обусловленная неоднородностью возбуждения взрывной электронной эмиссии и неоднородностью токов, протекающих через острия катода.
Известна электронная пушка, в которой использован взрывоэмиссионный катод, содержащий металлическую подложку (катододержатель) с закрепленными на ней инициаторами катодной плазмы, выполненными из графитовой ткани, слои которой отделены друг от друга ферромагнитной прокладкой (образующими сборку в форме цилиндра) с соответствующим выбором толщины ткани и прокладки (патент РФ №1143246, опубликовано 09.07.1995[2]). То есть, катод представляет собой закрепленную на катододержателе сборку из чередующихся элементов с эмитирующими - со структурой поверхности, способной к взрывной эмиссии (инициаторы катодной плазмы), и не эмитирующими поверхностями (со структурой поверхности, не способной к взрывной эмиссии), причем сборка, имеющая форму тела вращения, электрически связана катододержателем.
2
Недостатком данного прототипа является то, что при использовании ферромагнитной прокладки и графитовой ткани, с толщинами, выбранными в соответствии с заявленным в патенте соотношением, катодная плазма становится неоднородной по своему сечению, и величина электронного тока уменьшается за счет уменьшения площади эмиссионной поверхности, а также происходит снижение длительности импульса тока пучка электронов, при этом достигаемая плотность тока составляет не более 1000 А/см. Существенным недостатком является сложность технологии изготовления катододержателя, на котором закреплена сборка в виде последовательного набора чередующихся отрезков графитовой ткани и ферромагнитных пластин, причем дальнейшее ее сворачивание в спираль приводит к дополнительным трудностям при изготовлении и эмиссионные центры при этом располагаются по азимуту относительно металлического катододержателя.
Известно также, что использование в электронной пушке (Гунин А.В., Ландль В.Ф., Коровин С.Д., Месяц Г.А. Взрывоэмиссионный катод с большим временем жизни для генерации мощного СВЧ-излучения. ЖТФ, 1999, т. 25, в. 22, 84-88. [3]) в качестве материала-эмиттера графитовой ткани, что имеет место в прототипе, с увеличением числа срабатываний ведет к аномально высокому расходу материала, что приводит к уменьшению числа эмиссионных центров и, соответственно, уменьшению мощности излучения и уменьшению ресурса работы. [3]. То есть, с этой точки зрения прототип обладает также недостатком, связанным с высоким расходом материала, формирующего структуру эмитирующей поверхности катода при большом числе включений электронной пушки.
Задача состоит в создании конструкции взрывоэмиссионного катода со стабильными амплитудно-временными характеристиками ускоряющего и токового импульса при работе электронной пушки.
Ожидаемым техническим результатом является повышение степени однородности создаваемой при взрывной эмиссии плазмы. Дополнительный технический результат состоит в обеспечении технологичности сборки и, кроме того, экономии материала, использование которого в составляющих сборки катода за счет структуры его поверхности способствует формированию процесса взрывной эмиссии.
Технический результат достигается тем, что в отличие от известного взрывоэмиссионного катода электронной пушки, содержащего закрепленную на катододержателе осесимметричную сборку из чередующихся элементов с эмитирующими - со структурой поверхности, способной к взрывной эмиссии, и не эмитирующими поверхностями, причем сборка, имеющая форму тела вращения, электрически связана с катододержателем, в заявляемом катоде на катододержателе установлено два защитных электрода, сборка, составленная из чередующихся элементов с эмитирующими и не эмитирующими поверхностями, размещена между защитными электродами, в сборке элементы с эмитирующей поверхностью образуют общую радиально симметричную поверхность, характеризующуюся способностью к возникновению взрывной эмиссии.
Кроме того, взрывоэмиссионный катод может отличаться тем, что вышеназванная общая радиально симметричная поверхность сформирована из чередующихся в сборке элементов с эмитирующими поверхностями, выполненных в форме круговых колец, причем эти элементы сложены в сборку таким образом, что их кромки в сборке образуют поверхность в форме тела вращения, в сборке эти элементы чередуются с элементами с не эмитирующими поверхностями в форме дистанционных колец.
При этом во взрывоэмиссионном катоде круговые кольца с эмитирующей поверхностью могут быть выполнены из вольфрама, что позволяет значительно снизить расход материала и, соответственно, обеспечить стабильность выходных параметров.
В разработанной конструкции катода в отличие от прототипа применено пространственное распределение эмиссионных центров по радиусу катода. Наличие такого разделения позволило ограничить рост тока с каждого отдельного эмиссионного центра и стабилизировать распределение тока пучка по периметру эмитирующих поверхностей круговых колец, что привело к стабильности образования катодной плазмы и обеспечило ее однородность по всей площади разработанного катода. Также использование пространственного разделения и снижение токовой нагрузки на каждый эмиссионный центр в разработанной конструкции катода позволяет существенно снизить процессы, влияющие на ухудшение эмиссионных свойств материала.
В конкретной конструкции взрывоэмиссионного катода, реализующей заявляемое техническое решение, выщеназванная общая радиально симметричная поверхность сформирована из чередующихся в осесимметричной сборке составных элементов с эмитирующими поверхностями, выполненных в форме круговых колец, причем эти элементы сложены в сборку таким образом, что их кромки в сборке образуют поверхность в форме тела вращения, в сборке эти элементы чередуются с элементами с не эмитирующими поверхностями в форме дистанционных колец. Использование круговых колец в разработанной конструкции катода позволяет обеспечить простоту технологической сборки, т.е. без дополнительных операций (без сворачивания как в прототипе) создавать радиально симметричную эмитирующую поверхность.
Взрывоэмиссионный катод может отличаться тем, что круговые кольца с эмитирующей поверхностью выполнены из вольфрама (тугоплавкого металла), что позволяет значительно снизить расход материала, по сравнению с графитом в прототипе (как указано в [3]), и, соответственно, обеспечить большее количество эмиссионных центров, что приводит к стабильности однородности плотности плазмы
Использование катода на явлении взрывной электронной эмиссии предложенной конструкции дает возможность на порядки повысить степень однородности образования катодной плазмы и амплитуду генерируемых токов электронных пучков и, соответственно, выходную СВЧ-мощность.
При этом сборка может быть осуществлена технологически просто. Ввиду того, что все элементы разработанного катода имеют форму тела вращения, отсутствует необходимость дополнительной центровки, для образования радиально симметричной эмиссионной поверхности.
Таким образом, построение взрывоэмиссионного катода по предлагаемой схеме позволит достичь следующих технических результатов: повысить степень однородности образования катодной плазмы, что обеспечит стабильные амплитудно-временные характеристики ускоряющего и токового импульса на протяжении всей работы электронной пушки, обеспечить простоту технологической сборки.
На фиг. 1 приведено схематичное изображение заявляемого катода электронной пушки, где:
1 - катододержатель,
2 - внутренний защитный электрод,
3 - внешний защитный электрод,
4 - дистанционные кольца с не эмитирующей поверхностью,
5 - круговые кольца с эмитирующей поверхностью,
6 - эмитирующая поверхность, образованная кромками круговыми кольцами
На фиг. 2 представлены типичные осциллограммы тока электронного пучка и напряжения на катоде при работе, где 7 - ток; 8 - напряжение.
Заявляемая конструкция взрывоэмиссионного катода реализована на практике. Катод, схематично представлен на фиг. 1: цилиндрический катододержатель 1, диаметром 20 мм, на катододержателе установлены - внутренний защитный электрод 2 и внешний защитный электрод 3, между электродами расположены дистанционные кольца 4 с не эмитирующей поверхностью, которые в совокупности с круговыми кольцами с эмитирующей поверхностью 5 образуют тело в форме тела вращения, в сборке элементы с эмитирующей поверхностью образуют общую радиально симметричную поверхность, характеризующуюся способностью к возникновению взрывной эмиссии, в частности, в форме усеченного конуса, В конкретном варианте реализации, дистанционные кольца имели диаметр от 46 мм до 41 мм и были изготовлены из нержавеющей стали 12Х18Н10Т. При этом дистанционные кольца могут иметь разную длину. Таким образом, сборка расположена между двумя защитными электродами, расположенными на катододержателе, что обеспечивает нахождение в контакте и электрическом И механическом с электродами всех элементов сборки.
2
Вся конструкция была размещена в вакуумном цилиндрическом объеме, который находится в продольном магнитном поле, формируемом с помощью соленоида. Питание взрывоэмиссионного катода осуществлялось от 10-ти каскадного высоковольтного источника импульсного напряжения. Сформированный импульс высокого напряжения отрицательной полярности подается на катодожержатель катод заявленной конструкции. В качестве материала для изготовления круговых колец, образующих радиально симметричную эмитирующую поверхность, может быть использован любой металл, в частности, был использован вольфрам. Вследствие сильного разогрева током автоэлектронной эмиссии происходит взрыв микроскопических острий (эмиссионных центров), расположенных по периметру круговых колец с эмитирующими поверхностями, и образование катодной плазмы, высокая однородность которой обеспечивается благодаря чередованию составляющих сборку элементов с заявленными свойствами. Отбор тока и формирование электронного пучка происходит с поверхности данной плазмы, при этом плотность тока электронного пучка составляет 1300 А/см. На фигуре 2 представлена типичная осциллограмма фиксируемых напряжений на катоде и тока, отбираемого с поверхности образованной плазмы. При этом сборка была осуществлена достаточно просто и с экономией материала по сравнению с прототипом.
Таким образом, по результатам проведенных экспериментальных исследований было показано, что разработанная конструкция взрывоэмиссионного катода, радиально симметричная поверхность эмиссии которого сформирована из чередующихся в сборке элементов с эмитирующими (круговые кольца) и не эмитирующими (дистанционные кольца) поверхностями, (круговые кольца выполнены из вольфрама), позволяет повысить степень однородности образования катодной плазмы на протяжении всего времени работы электронной пушки, что обеспечивает стабильные амплитудно-временные характеристики ускоряющего и токового импульса и обеспечивает простоту технологической сборки и экономию расходного материала, даже при большом числе включений электронной пушки.