ФОРВАКУУМНЫЙ ИСТОЧНИК ИМПУЛЬСНОГО ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА

Заявляемое техническое решение относится к области плазменной техники, может быть применено при разработке электронно-лучевых устройств и использовано в электронно-лучевой технологии, экспериментальной физике, плазмохимической технологии.
Известно устройство, предназначенное для генерации импульсных электронных пучков путем эмиссии электронов из газоразрядной плазмы (патент РФ №2120706). В указанном устройстве плазма создается за счет взрыва микроострий на катоде в результате скачка напряжения на промежутке катод-анод. Плазма и электронный пучок существуют в течение долей микросекунды. В силу особенностей взрывной эмиссии пучок не может существовать в течение более длительного времени. Известен форвакуумный плазменный электронный источник (патент №107657 на полезную модель), в котором эмиссионная плазма создается в импульсном тлеющем разряде. Источник позволяет генерировать электронный пучок в диапазоне давлений 5-15 Па. Использование тлеющего разряда накладывает ограничения, как на предельный ток электронного пучка (не более 100 А), так и на предельную длительность импульса (не более 100 мкс. Причина этих ограничений состоит в неконтролируемом переходе тлеющего разряда в дуговую форму, сопровождающемся шнурованием разряда и заканчивающемся пробоем ускоряющего промежутка.
5
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является сильноточный электронный ускоритель с плазменным катодом (Гушенец В.И., Коваль Н.Н., Щанин П.М.// Сильноточная электроника: Материалы VI Всесоюзного симп.- Томск, Институт сильноточной электроники СО РАН, 1986. - часть 2. - С.112-114), включающий в себя штыревой катод, размещенный внутри керамической трубки, поджигающий электрод, выполненный в виде кольца, надетого на керамическую трубку, полый цилиндрический анод с сетчатым основанием, плоский сетчатый ускоряющий электрод. Указанный источник основан на использовании контролируемого дугового разряда и позволяет в диапазоне давлений 0,01-0,1 Па получать электронные пучки с длительностью импульса 10-1000 мкс при частоте повторения 1-100 Гц. Недостаток данного технического решения состоит в низком ресурсе работы (не более 10 импульсов). Нарушение работоспособности источника вызывается металлизацией торца керамической трубки при подаче импульса на поджигающий электрод. Величина металлизации определяется энергией, вкладываемой в поджигающий импульс. В известном техническом решении эта энергия составляет 5-15 мДж. Ограничение этой энергии снизу обусловлено необходимостью реализации пробоя по поверхности керамики. Еще одним недостатком указанного источника является неспособность работать в области давлений выше одного паскаля.
Цель заявляемого технического решения состоит в повышении ресурса работы электронного источника. Поставленная цель достигается тем, что в известном источнике электронного пучка, содержащем штыревой катод, размещенный внутри керамической трубки, поджигающий электрод, выполненный в виде кольца, надетого на керамическую трубку, размещенный соосно с катодом полый цилиндрический анод с сетчатым основанием, сетчатому ускоряющему электроду придана форма сегментной поверхности, центр которой совпадает с торцом катода. Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является повышение ресурса работы электронного источника. Обратим внимание на тот факт, что предлагаемое техническое решение обеспечивает достижение полезного результата при работе электронного источника в форвакуумной области повышенных давлений (5-15 Па).
2
Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежом, представленным на Фиг.1. Катод 1 выполнен в виде металлического штыря диаметром 6 мм, размещенного внутри керамической трубки 2 внешним диаметром 9 мм. На керамическую трубку надет поджигающий электрод 3 в виде стального кольца внешним диаметром 15 мм и высотой 5 мм. Анод 4 представляет собой полый цилиндр основанием которого служит сетка с ячейкой 0,3×0,3 мм и геометрической прозрачностью 60%. На фланце 5 закреплен сетчатый ускоряющий электрод 6. Он выполнен в виде сегментной поверхности, причем центр поверхности совпадает с торцом катода 1. Электрическое разделение ускоряющего электрода и анода обеспечивается капролоновым изолятором 7. Отличие от прототипа заключается в форме ускоряющего электрода 6.
a
Источник работает следующим образом. По достижении в вакуумной камере давления 5-30 Па к промежутку анод-ускоряющий электрод прикладывают постоянное напряжение U=5-15 кВ от высоковольтного блока 8. После этого на промежуток катод-анод и одновременно через резистор R на промежуток катод - поджигающий электрод подают импульсное напряжение от генератора 9. Пробой по торцу керамической трубки 2 вызывает появление небольшого количества ионизованного вещества, которого оказывается достаточно для развития дугового разряда в цепи катод-анод и заполнения плазмой полости анода 4. Постоянное напряжение на ускоряющем промежутке обеспечивает в форвакуумной области повышенных давлений существование высоковольтного тлеющего разряда (ВТР), плазменная граница которого повторяет форму ускоряющего электрода 6, обеспечивая формирование ионного потока, сходящегося на торце катода 1. Этот ионный поток вызывает эмиссию вторичных электронов, как с катода, так и с торца керамической трубки 2, облегчая пробой по ее поверхности. Отмеченное обстоятельство позволяет использовать в цепи поджигающего электрода резистор с более высоким сопротивлением. В наших экспериментах 300 Ом вместо 100 Ом при плоском ускоряющем электроде. Это означает снижение энергии, выделяющейся за один поджигающий импульс, с указанных выше 5-15 мДж до 2-5 мДж и, следовательно, ослабление интенсивности процесса металлизации керамики. Полезным результатом становится возрастание числа импульсов эмиссионного тока, которые может обеспечить электронный источник без проведения профилактических мероприятий.
Результаты, представленные в таблице, иллюстрируют положительный эффект, присущий заявляемому техническому решению, а именно, возрастание на порядок числа импульсов тока электронного пучка до потери работоспособности источника.
Таблица.
Предельные значения числа импульсов электронного пучка. Частота следования 1 Гц, длительность импульса 150 мкс.
Номер эксперимента
1
2
3
4
5
Средние
Прототип (плоский ускоряющий электрод)
1,5×10<sup>5</sup>
1,4×10<sup>5</sup>
9×10<sup>4</sup>
8×10<sup>4</sup>
8×10<sup>4</sup>
1,1×10<sup>5</sup>
Предлагаемое техническое решение (ускоряющий электрод в виде сегментной поверхности)
9×10<sup>5</sup>
1,1×10<sup>6</sup>
8×10<sup>5</sup>
1,2×10<sup>6</sup>
1,0×10<sup>6</sup>
1,0×10<sup>6</sup>
Предлагаемый электронный источник позволяет получать импульсный электронный пучок с током до 200 А и энергией до 15 кэВ в диапазоне давлений 5-20 Па, что расширяет возможности технологического применения электронного пучка для обработки материалов. В частности, предлагаемый источник может быть использован для модификации поверхностных слоев, как проводящих, так и непроводящих материалов.