ЭЛЕКТРОННЫЙ ИСТОЧНИК С ПЛАЗМЕННЫМ ЭМИТТЕРОМ

Заявляемое техническое решение относится к области плазменной техники, может быть применено при разработке электронно-лучевых устройств и использовано в электронно-лучевых технологиях и экспериментальной физике.
Известно устройство, предназначенное для генерации электронных пучков путем эмиссии электронов из подогревного термокатода (патент 1799190 РФ, МКП МКИ H01J 37/065. Электронно-лучевая сварочная пушка. [Текст] / Глазов С.И. (РФ). - Б.И. №29. 2000). Указанное устройство работает следующим образом. При подаче напряжений на подогреватель и катод начинается разогрев катода электронной бомбардировкой. При включении ускоряющего и управляющего напряжений термоэлектроны с катода ускоряются и направляются в лучепровод, где фокусируются и далее воздействуют на обрабатываемое изделие. Сформированные электронные пучки характеризуются высокой яркостью, однако термокатод имеет небольшой срок службы вследствие сильного влияния на его эмиссионные характеристики обратного ионного потока, паров обрабатываемого изделия и других разрушающих факторов.
Известна газоразрядная электронная пушка, предназначенная для генерации электронных пучков путем эмиссии электронов из газоразрядной плазмы высоковольтного тлеющего разряда (патент 2323502 РФ, МКП МКИ H01J 37/06. Газоразрядная электронная пушка. [Текст] / Лыткин Н.А. (РФ). - опубликовано 27.04.2008). Газоразрядная электронная пушка содержит в герметичном корпусе на высоковольтном изоляторе холодный вогнутый катод с развитой эмиссионной поверхностью, анод и расположенный соосно аноду лучепровод с размещенными в нем фокусирующими катушками. Электронный пучок образуется в результате бомбардировки поверхности катода быстрыми частицами, возникающими при ускорении и перезарядке ионов в области катодного падения потенциала. Как генерация, так и ускорение электронов происходят в пределах разряда за счет высокого напряжения, приложенного между катодом и анодом. Из разрядного промежутка выходит пучок электронов с энергией практически равной приложенной разности потенциалов. Несоответствие геометрических параметров электродной системы эмиссионным характеристикам холодного катода ограничивает максимальную мощность электронного пучка, так как при максимальном токе разряда поток ионов на катод расширяется за пределы эмиссионной зоны. Кроме того, регулирование тока разряда изменением давления (повышением расхода рабочего газа) сопровождается изменением фокусного расстояния электронного пучка, что затрудняет его прохождение через лучепровод и подфокусировку фокусирующими катушками.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является электронный источник с плазменным эмиттером (Корнилов С.Ю. Получение остросфокусированных пучков в электронных пушках с плазменным катодом [Текст] / С.Ю. Корнилов, И.В. Осипов, Н.Г. Ремпе // ПТЭ. - 2009. - №3. - С. 104-109), включающий в себя разрядную камеру, состоящую из двух катодов и размещенного между ними цилиндрического анода, ускоряющий электрод и магнитные фокусирующие катушки. Один из катодов (полый катод) представляет собой полый цилиндр, внутренняя поверхность которого является рабочей для горения разряда. Во втором катоде (эмиттерный катод) выполнен канал для выхода электронов в вакуум. Магнитное поле в разрядной камере создает постоянный кольцевой магнит. Полый и эмиттерный катоды изготовлены из магнитной стали и являются элементами магнитной цепи. Эмиссия электронов происходит через эмиссионный канал в промежуток, образованный эмиттерным катодом и ускоряющим электродом, между которыми прикладывается ускоряющее напряжение. Фокусировка электронного пучка осуществляется двумя магнитными катушками, закрепленными на лучепроводе. Указанный источник позволяет получать электронные пучки с энергией до 30 кэВ. Недостаток данного технического решения состоит в малой плотности мощности электронного пучка.
Цель заявляемого технического решения состоит в повышении плотности мощности электронного пучка. Поставленная цель достигается тем, что в известном электронном источнике, включающем в себя разрядную камеру, состоящую из двух катодов и размещенного между ними цилиндрического анода, кольцевой постоянный магнит, ускоряющий электрод и магнитную фокусирующую катушку, эмиттерный катод выполнен составным. Основная часть катода изготовлена из немагнитного материала, а в приосевой его части размещена вставка из феромагнитного материала. Вся разрядная камера закреплена на высоковольтном металлокерамическом изоляторе с пробивным напряжением 120 кВ. Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является возможность уменьшения поперечного размера электронного пучка, и как следствие этого увеличение плотности мощности пучка электронов, путем создания в ускоряющем промежутке с помощью кольцевого магнита разрядной камеры и феромагнитной вставки в эмиттерном катоде однородного продольного магнитного поля.
-1
-3
Предлагаемое техническое решение обеспечивает достижение полезного результата при работе электронного источника в области давлений от 10 Па до 10 Па.
Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежом, представленным на Фиг. 1.
Электронный источник с плазменным катодом (Фиг. 1) включает в себя разрядную камеру, состоящую из полого 1 и эмиттерного 2 катодов и размещенного между ними  цилиндрического анода 3, ускоряющий электрод 4 и фокусирующую магнитную линзу 5. Полый катод 1 представляет собой полый цилиндр, внутренняя поверхность которого является рабочей для горения разряда. Эмиттерный катод 2 составной, имеет форму диска. Основная часть эмиттерного катода 2 изготовлена из немагнитного материала, а в центре размещена вставка из феромагнитного материала. Разрядная камера находится в продольном магнитном поле, которое создается кольцевым Sm-Co (самарий - кобальтовым) магнитом 6. Для обеспечения выхода электронов из разрядной камеры в вставке выполнен канал 7. Разрядная камера источника электронов с плазменным катодом закреплена на металлокерамическом изоляторе с пробивным напряжением 120 кВ. Экстрактор 6 установлен на металлическом корпусе электронного источника. Отличие от прототипа заключается в конструкции эмиттерного катода 4 и использовании одной фокусирующей катушки.
-2
-2
Источник работает следующим образом. Для зажигания и устойчивого горения разряда в разрядной камере дозированным напуском газа по каналу 8, создается давление в диапазоне от 2·10 до 7·10 мм. рт. ст. При подаче напряжения между катодами 1, 2 и цилиндрическим анодом 3 в разрядной камере зажигается низковольтный тлеющий разряд с полым катодом. Электрическое питание разряда обеспечивается источником постоянного тока 9. Эмиссия электронов из плазмы происходит через эмиссионный канал в промежуток, образованный эмиттерным катодом и ускоряющим электродом, между которыми прикладывается высоковольтное напряжение от источника постоянного тока 10. В ускоряющем промежутке на электроны действуют два поля. электрическое и однородное продольное магнитное поле, образованное кольцевым магнитом и феромагнитной вставкой (Фиг. 2). Одновременно с ускорением в промежутке происходит предварительная фокусировка электронного пучка. Окончательная фокусировка электронного пучка 11 осуществляется магнитной фокусирующей линзой 5.
е
е
е
е
Распределение магнитного поля в электронно-оптической системе (2 - эмиттерный катод, 4 - ускоряющий электрод, 12 - корпус источника электронов, 13 - силовые линии магнитного поля, 14 - граница плазмы) при различных соотношениях индукции магнитного поля у эмиттера (В) и индукции в электронно-оптической системе (В), представлены на Фиг. 2. Распределения демонстрируют возможность организации электронно-оптической системы с полностью экранированным -В/В=0 (Фиг. 4, а), частично экранированным - 0<В/В<1 (Фиг. 4, b) и не экранированным - В/В=1 (Фиг. 4, с) от магнитного поля эмиттером электронов.
е
е
е
На Фиг. 3 представлены распределения плотности тока вдоль радиуса пучка при ускоряющем напряжении 20 кВ (1 - В/В=0 (без наличия магнитной вставки); 2 - 0<В/В<1 (с магнитной вставкой); 3 - В/В=1 (с магнитной вставкой)). Результаты, представленные на Фиг. 3, иллюстрируют положительный эффект, присущий заявляемому техническому решению, а именно,   уменьшение поперечного размера электронного пучка и как следствие этого повышение плотности мощности электронного пучка.
-1
-3
Предлагаемый электронный источник позволяет получать электронный пучок высокой плотности мощности с током до 200 мА и энергией до 120 кэВ в диапазоне давлений от 10 Па до 10 Па, что расширяет возможности технологического применения электронного пучка для обработки материалов.