СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)
ELECTRON BEAM GENERATION METHOD AND DEVICE FOR REALISING SAID METHOD (VERSIONS)

Изобретение относится к электронике и может быть использовано в физической электронике, квантовой электронике, плазмохимии, диагностических измерениях.
Известен способ получения электронного пучка [Денисов С.С., Успенский Н.А., Федяков В.П. // Электрофизическая аппаратура. М: Энергоатомиздат, №20, с.80-82, 1982], заключающийся в том, что путем подачи напряжения между катодом и анодом зажигают высоковольтный разряд в газоразрядной ячейке и в промежуток между катодом и анодом осуществляют дополнительный приток ионов, которым обеспечивают дополнительную эмиссию электронов с катода, которые ускоряют в сильном поле этого высоковольтного разряда, при этом используют анод в виде решетки (решетчатый анод) и тем самым обеспечивают провисание электрического поля за решетчатый анод, а дополнительный приток ионов получают с помощью ионизации газа за решетчатым анодом вспомогательным электронным пучком и направлением полученных там ионов в промежуток анод-катод с помощью провисшего в решетчатый анод электрического поля. Для вспомогательного электронного пучка используют отдельный высоковольтный источник питания. Для высоковольтного разряда между катодом и анодом обеспечивают протекание разряда в несамостоятельной форме. Ускоренные электроны, стартующие с поверхности катода в виде пучка, извлекают через решетчатый анод и фольгу, которую располагают за анодом и областью действия вспомогательного электронного пучка. Электронный пучок, проникший через фольгу, используют по назначению.
2
Недостатки этого способа получения электронного пучка: для реализации способа требуется относительно сложная конструкция устройства, в том числе наличие двух независимых источников питания. Основные недостатки способа - малая величина рабочего давления газа ~0.01 Торра и малый ток пучка 200 мкА/см. Устройство работает в условиях несамостоятельного разряда между катодом и анодом, т.е. когда без вспомогательного электронного пучка в нем реализуется чрезвычайно малый предпробойный ток. При большем давлении способ перестает работать из-за перехода разряда в самостоятельный разряд, когда резко уменьшается провисание электрического поля за решетчатый анод, из-за формирования анодной плазмы с пониженной величиной электрического поля в ней.
Известно устройство [Денисов С.С., Успенский Н.А., Федяков В.П. // Электрофизическая аппаратура. М: Энергоатомиздат, №20, с.80-82, 1982], реализующее данный способ, содержащее высоковольтный источник питания и размещенные в газоразрядной ячейке катод и анод, при этом анод представляет собой решетку (решетчатый анод), что обеспечивает провисание электрического поля за решетчатый анод, а дополнительный приток ионов в промежуток анод-катод обеспечивается ионизацией газа за решетчатым анодом вспомогательным электронным пучком и направлением полученных там ионов в промежуток анод-катод с помощью провисшего в решетчатый анод электрического поля. Для вспомогательного электронного пучка используется отдельный высоковольтный источник питания. Для высоковольтного разряда между катодом и анодом используется протекание разряда в несамостоятельной форме. Ускоренные электроны, стартующие с поверхности катода в виде пучка, поступают через фольгу, расположенную за анодом и областью действия вспомогательного электронного пучка, на объект облучения.
2
Недостатки этого устройства - относительно сложная конструкция устройства, в том числе наличие двух независимых источников питания. Основные недостатки устройства - малая величина рабочего давления газа ~0.01 Торра и малый ток пучка 200 мкА/см. Устройство работает в условиях несамостоятельного разряда между катодом и анодом, т.е. когда без вспомогательного электронного пучка в нем реализуется чрезвычайно малый предпробойный ток. При большем давлении устройство перестает работать из-за перехода разряда в самостоятельный разряд, когда резко уменьшается провисание электрического поля за решетчатый анод с пониженной величиной электрического поля в ней.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ получения электронного пучка [Сорокин А.Р. // ПЖТФ, т.33, №9, с.70-78, 2007], заключающийся в том, что путем подачи напряжения питания между катодом и анодом зажигают высоковольтный разряд в газоразрядной ячейке, и в промежуток между катодом и анодом осуществляют дополнительный приток ионов, которым обеспечивают дополнительную эмиссию электронов с катода, которые ускоряют в сильном поле этого высоковольтного разряда, при этом дополнительный приток ионов между катодом и анодом обеспечивают дополнительной ионизацией газа вдоль поверхности катода вспомогательным электронным пучком, который формируют в сильном электрическом поле у входа в катодную полость, для одной из стенок которой используют часть металлической плоской поверхности дна катода с выступом, а для другой стенки используют диэлектрическую пластину с отверстием, которой прикрывают выступ катода и часть поверхности дна катода, а вспомогательный электронный пучок распространяют над поверхностью дна катода открытой отверстием - D в диэлектрической пластине. Для эмиттера электронов вспомогательного электронного пучка используют катодную плазму, которую формируют в катодной полости. Единый высоковольтный разряд используют одновременно для получения вспомогательного электронного пучка и для ускорения электронов пучка в сторону анода.
Основной недостаток этого способа получения электронного пучка - ограниченный диапазон рабочих давлений, который зависит от расстояния между металлической и диэлектрической стенками катодной полости, определяющего условия формирования катодной плазмы в катодной полости. Для фиксированного значения расстояния между металлической и диэлектрической стенками катодной полости в режиме разряда с дополнительным притоком ионов в промежуток между катодом и анодом (режим сильноточного электронного пучка) верхний предел рабочего давления обусловлен исчезновением сильного электрического поля у входа в катодную полость и, следовательно, вспомогательного электронного пучка, из-за смыкания анодной плазмы с катодной плазмой в катодной полости, плотность которой резко возрастает, а нижний - с резким (скачкообразным по давлению) падением интенсивности вспомогательного электронного пучка. Для повышения рабочего давления требуется уменьшать расстояние между металлической и диэлектрической стенками катодной полости, а для меньших давлений требуется увеличить расстояние между металлической и диэлектрической стенками катодной полости, т.е. в обоих случаях требуется вносить изменения в конструкцию устройства. Кроме того, при малом расстоянии между металлической и диэлектрической стенками катодной полости приходится снижать напряжение питания, из-за формирования искрового пробоя со дна катода на кромку отверстия диэлектрической пластины и далее на анод.
Известно устройство [Сорокин А.Р. // ПЖТФ, т.33, №9, с.70-78, 2007], реализующее данный способ, содержащее высоковольтный источник питания и размещенные в газоразрядной ячейке катод и анод, при этом дополнительный приток ионов между катодом и анодом обеспечивается дополнительной ионизацией газа вдоль поверхности катода вспомогательным электронным пучком, который формируется в сильном электрическом поле у входа в катодную полость, одной из стенок которой служит часть металлической плоской поверхности дна катода с выступом, а другой стенкой служит диэлектрическая пластина с отверстием, которая прикрывает выступ катода и часть поверхности дна катода, а вспомогательный электронный пучок распространяется над поверхностью дна катода открытой отверстием в диэлектрической пластине. Для эмиттера электронов вспомогательного электронного пучка служит катодная плазма, которая формируется в катодной полости. Единый высоковольтный разряд служит одновременно для получения вспомогательного электронного пучка и для ускорения электронов сильноточного электронного пучка в сторону анода.
Основной недостаток этого устройства - ограниченный диапазон рабочих давлений, который зависит от расстояния между металлической и диэлектрической стенками катодной полости, определяющего условия формирования катодной плазмы в катодной полости. Для фиксированного значения расстояния между металлической и диэлектрической стенками катодной полости в режиме разряда с дополнительным притоком ионов в промежуток между катодом и анодом верхний предел рабочего давления обусловлен исчезновением сильного электрического поля у входа в катодную полость и, следовательно, вспомогательного электронного пучка, из-за смыкания анодной плазмы с катодной плазмой в катодной полости, плотность которой резко возрастает, а нижний - с резким (скачкообразным по давлению) падением интенсивности вспомогательного электронного пучка. Так, для расстояния между металлической и диэлектрической стенками катодной полости 0.5 мм область давлений, когда существует сильноточный широкоапертурный - D=22 мм электронный пучок, рабочее давление составляет - р≈2.2-20 Торр. Для повышения рабочего давления требуется уменьшать расстояние между металлической и диэлектрической стенками катодной полости, а для меньших давлений требуется увеличить расстояние между металлической и диэлектрической стенками катодной полости, т.е. в обоих случаях вносить изменения в конструкцию устройства. Кроме того, при малом расстоянии между металлической и диэлектрической стенками катодной полости приходится снижать напряжение питания, из-за формирования искрового пробоя со дна катода на кромку отверстия диэлектрической пластины и далее на анод.
Техническим результатом изобретения является расширение диапазона рабочего давления газа без внесения изменений в конструкцию устройства, а также обеспечение повышенной устойчивости разряда по отношению к искрообразованию. Для этого вспомогательный электронный пучок, которым осуществляют дополнительную ионизацию газа вдоль поверхности катода, формируют по периметру поверхности катода с внутренней поверхности кольцевого электрода. Отсутствие катодной полости и связанными с ней ограничениями позволили, в частности, работать в более широком диапазоне рабочих давлений, до десятков Торр, без внесения изменений в конструкцию устройства. Ток сильноточного электронного пучка до порядка величины превышает, например, полный ток в устройствах на эквивалентном (напряжение - U, давление - p газа и сечение - S электронного пучка - фиксированы) аномальном разряде.
Технический результат в предлагаемом способе получения электронного пучка достигается тем, что путем подачи напряжения питания между катодом и анодом зажигают высоковольтный разряд в газоразрядной ячейке, и в промежуток между катодом и анодом осуществляют дополнительный приток ионов, причем дополнительный приток ионов между катодом и анодом обеспечивают дополнительной ионизацией газа вспомогательным электронным пучком, электроны которого ускоряют в сильном поле высоковольтного разряда, при этом вспомогательный электронный пучок формируют по периметру поверхности катода с внутренней стенки кольцевого электрода.
Технический результат достигается в устройстве для получения электронного пучка, содержащем катод и анод, размещенные в газоразрядной ячейке, и высоковольтный источник питания, который подсоединен к катоду и аноду, при этом на внутренней поверхности катода выполнен кольцевой электрод, с внутренней стенки которого формируют вспомогательный электронный пучок.
Кроме того, технический результат достигается тем, что в предыдущем устройстве дополнительно плоская часть кольцевого электрода со стороны анода для уменьшения тока разряда на нее прикрыта диэлектрической пластиной с отверстием, совпадающим по диаметру с внутренним диаметром кольцевого электрода.
Кроме того, технический результат достигается тем, что в устройстве для получения электронного пучка, содержащем катод и анод, размещенные в газоразрядной ячейке, и высоковольтный источник питания, который подсоединен к катоду и аноду, при этом со стороны внутренней поверхности катода выполнен кольцевой электрод, отделенный от катода диэлектрической пластиной с отверстием, совпадающим по диаметру с внутренним диаметром кольцевого электрода, причем кольцевой электрод электрически подсоединен к катоду.
Кроме того, технический результат достигается тем, что в предыдущем устройстве дополнительно плоская часть кольцевого электрода со стороны анода для уменьшения тока разряда на нее прикрыта диэлектрической пластиной с отверстием, совпадающим по диаметру с внутренним диаметром кольцевого электрода.
Сущность предложенного изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми чертежами.
На фиг.1 приведена схема предлагаемого устройства, в котором кольцевой электрод составляет единое целое с катодом. На фиг.2 изображен вариант предлагаемого устройства, представленного на фиг.1, совместно со схемой измерений параметров разряда. На фиг.3 изображен вариант предлагаемого устройства, в котором плоская часть кольцевого электрода со стороны анода прикрыта диэлектрической пластиной с отверстием. На фиг.4 изображен вариант предлагаемого устройства, в котором кольцевой электрод, электрически подсоединенный к катоду, отделен от катода диэлектрической пластиной с отверстием. На фиг.5 изображен вариант предлагаемого устройства, в котором кольцевой электрод, электрически подсоединенный к катоду, отделен от катода диэлектрической пластиной с отверстием, а плоская часть кольцевого электрода со стороны анода прикрыта другой диэлектрической пластиной с отверстием. На фиг.6 приведен пример осциллограмм напряжения и токов разряда в гелии давлением p=7 Торр для устройства, представленного на фиг.2. На фиг.7 приведен пример осциллограмм напряжения и токов разряда в гелии давлением p=6.5 Торр для устройства, представленного на фиг.5.
D
D
d
c
He
d
He
d
На чертежах показаны: 1 - высоковольтный источник питания; 2 - катод; 3 - кольцевой электрод толщиной - δ с внутренним - D и внешним -  диаметрами; 4 - анод; 5 - сетчатый анод; d - длина разрядного промежутка; 6 - коллектор; L - область дрейфа электронного пучка; R1, R2 - резистивный делитель для измерения напряжения; R3 - сопротивление для измерений полного тока или тока коллектора в зависимости от положения переключателя - 7; 8 - диэлектрическая пластина с отверстием, прикрывающая плоскую часть кольцевого электрода - 3; 9 - диэлектрическая пластина с отверстием, разделяющая катод - 2 с кольцевым электродом - 3; 10, 11, 12 - осциллограммы напряжения - U, тока коллектора - j, умноженного на 5.8, и полного тока - j, иллюстрирующие разряд в гелии давлением p=7 Торр для устройства, фиг.2, D=23 мм, =34 мм, d=14.2 мм, L=5.8 мм, δ=4 мм, сетчатый анод - 5 с геометрической прозрачностью = 0.56 и с отверстиями - 0.5 мм; 13, 14, 15 - осциллограммы напряжения, тока коллектора, умноженного на 2, и полного тока, иллюстрирующие разряд в гелии давлением p=6.5 Торр для устройства, фиг.5, D=22 мм, d=14.2 мм, L=5.2 мм, δ=4 мм, толщина стеклянной пластины, разделяющей катод с кольцевым электродом - 1 мм, а толщина кварцевой пластины, прикрывающей плоскую часть кольцевого электрода - 3 мм.
Рассмотрим особенности формирования электронных пучков в тлеющих разрядах различного типа в их сравнении с особенностями для предлагаемого способа.
EB
AD
EB
AD
AD
В работе [Сорокин А.Р. // ПЖТФ, т.33, №9, с.70-78, 2007] предложен широкоапертурный разряд с давлением газа до десятков Тор, в котором реализован режим, назовем его сильноточным, когда ток его электронного пучка - j превышает полный ток - j эквивалентного (напряжение питания - U и давление - p фиксированы) аномального разряда α=j/j>1 до порядка величины. Ясно, что в самом аномальном разряде ток его пучка составляет лишь часть j. В гелии:
cf
AD
cf
где U - катодное падение потенциала (КПП). Оценить j можно заменой U на U. В известных источниках электронных пучков (ЭП) сильноточный режим реализуется в разрядах с катодной плазмой, т.е. когда эмиттером электронов пучка служит граница этой плазмы.
В настоящее время широко используются источники с α>1, в которых катодную плазму формируют с помощью отдельного низковольтного разряда, в том числе в низковольтном разряде с полым катодом. Все они низкого давления: с широкоапертурным пучком до p~0.01 Торр, а с пучком малой апертуры до p~0.1 Торр. В них электроны пучка извлекают из катодной плазмы через сетчатый электрод или через электрод с отверстием и ускоряют отдельным несамостоятельным высоковольтным разрядом, т.е. в условиях пренебрежимо малой ионизации в нем, чем и ограничивается предельная величина рабочего давления, как и в аналоге. Работа источников при больших р расширяет возможности их использования, и исследования в этом направлении не теряют своей актуальности.
В других источниках с катодной плазмой и α>1 используется высоковольтный разряд с полым катодом, в котором область сильного, ускоряющего электроны, поля примыкает к входу в катодную металлическую полость, а эмиттером служит плазма в полости. Однако в них с увеличением апертуры D, давления или напряжения питания разряд становится неустойчивым. Формируется положительный столб с распространением его на всю область между анодом и катодом. Анодная плазма смыкается с плазмой в катодной полости, плотность которой резко возрастает, и разряд переходит в низковольтную форму с ростом тока на порядки без ЭП. Например, в режиме с α>1 и D<1 см высоковольтная форма сохранялась до p~0.01 Торр. Разряд с полым катодом обладает большой склонностью к переходу в низковольтный режим, и в настоящее время для источников ЭП стал ограниченно использоваться и исследоваться в высоковольтной форме. Основная причина, ограничивающая предельные параметры источников на разряде с полым катодом, связана с формированием слишком плотной плазмы в металлической катодной полости, и ускоряющее электроны пучка сильное поле, из-за общего падения сопротивления разряда, не в состоянии удержаться перед входом в полость.
EB
e
4
В источнике ЭП, принятом за прототип [Сорокин А.Р. // ПЖТФ, т.33, №9, с.70-78, 2007], рабочее давление газа увеличено за счет относительного понижения плотности катодной плазмы заменой одной из стенок катодной полости диэлектрической пластиной. Для формирования же широкоапертурного ЭП пучок, сформированный перед входом в катодную полость, использован как вспомогательный - ЭП1. ЭП1, распространяясь над поверхностью части катода (она является продолжением металлической стенки катодной полости) открытой отверстием D в диэлектрической пластине, служащей второй стенкой полости, дополнительно ионизует газ. Токи полный - j и основного пучка - j в сторону анода возрастают. В сочетании с эффектом понижения эмиссии электронов для вспомогательного пучка из катодной плазмы это позволило на порядки расширить возможности сильноточного источника в целом, в частности, работать до давлений в десятки Торр. Вспомогательный и основной пучки формируются от единого импульса питания, подаваемого на электроды катод-анод. В отличие от известных источников сильноточных ЭП в предложенной в прототипе конструкции разделены условия работы источника при повышенных давлениях, - определяются размером ширины катодной полости δ (расстояние между металлической и диэлектрической стенками полости), и условия формирования широкоапертурного пучка, - определяются размером отверстия D в диэлектрической пластине. Величина апертуры D основного сильноточного пучка сверху ограничена длиной L пробега электронов вспомогательного пучка ЭП1 над поверхностью открытой части катода, которая, очевидно, должна быть ≥D/2. Определить длину пробега электронов - L с энергией eU=(100-10)eV можно по формуле:
e
cf
e
Для пробега электронов в разряде - заменой в (2) U на U, а оценить - заменой U на U.
Для фиксированного значения δ в сильноточном режиме разряда на анод верхний предел рабочего давления обусловлен переходом разряда, формирующего пучок ЭП1, в низковольтный режим с исчезновением ЭП1, а нижний - с резким (скачкообразным по давлению) падением интенсивности ЭП1. Для повышения рабочего давления требуется уменьшать δ, что для малых δ приводит к паразитному искровому пробою со дна катода на кромку отверстия D в диэлектрической пластине и далее на анод. Напряжение питания приходится снижать, чем и ограничивается верхняя граница р.
EB
Таким образом, диапазон рабочих давлений в прототипе зависит от величины δ, определяющей условия формирования плазмы в катодной полости. Так, для δ=0.5 мм область давлений, когда существует сильноточный (α≥1) широкоапертурный D=22 мм электронный пучок, - р≈2.2-20 Торр. Причем для p=20 Торр напряжение горения разряда с пучком продолжительностью t=600 нс, из-за начала искрения, не должно было превышать 1 кВ, когда α=1. Для сильноточного пучка при меньших давлениях требовалось увеличить δ.
В предлагаемом способе получения электронного пучка вспомогательный пучок ЭП1 формируется по периметру поверхности катода с внутренней поверхности кольцевого электрода толщиной - δ по законам традиционного тлеющего разряда одновременно с основным ЭП (в прототипе сильноточному режиму разряда мог предшествовать обычный тлеющий разряд на время формирования плазмы в катодной полости) и распространяется над остальной, плоской частью катода, дополнительно ионизуя газ, чем достигается α>1 для основного ЭП. Отсутствие катодной полости (удалена диэлектрическая стенка полости) и связанными с ней ограничениями позволили, в частности, работать в более широком диапазоне рабочих давлений без внесения изменений в конструкцию устройства. Единый высоковольтный разряд от одного высоковольтного источника используют одновременно для получения вспомогательного электронного пучка и для ускорения электронов сильноточного пучка в сторону анода.
Рассмотрим, как предложенный способ получения электронного пучка реализуется в предложенных устройствах, представленных на фиг.2-5.
EB
c
EB
c
d
В опытах для определения тока ЭП - j часть его - j направлялась на коллектор через сетчатый анод прозрачностью µ=0.56, расположенный на расстоянии d от поверхности катода, так что j=j/µ. Отверстия в сетчатом аноде ≈0.5 мм. Коллектор размещался на расстоянии L (область дрейфа ЭП) от сетки. Размер D определял апертуру основного сильноточного ЭП в сторону анода. Эффективность η формирования основного пучка определялась с учетом µ:
где j - полный ток разряда.
j
AD
AD
cf
Кроме параметра α введем параметр α=j/j, характеризующий превышение полного тока разряда над j. Бóльший ток j представляет интерес для практических применений, например, для возбуждения обычных газоразрядных лазеров, требующих высокого уровня накачки. Для реализации более высоких токов длина разрядного промежутка - d выбиралась больше длины области катодного падения потенциала - l для аномального разряда:
cf
AD
Для d<l эффект увеличения токов разряда в предложенном способе также будет присутствовать, но в этом случае эти токи следует сравнивать не с j, а с меньшими токами, которые реализуются в традиционном высоковольтном разряде со слабым искажением электрического поля в разрядном промежутке. Поскольку длина пробега L электронов пучка растет с уменьшением p, то при малых p для повышения степени ионизации газа пучком ЭП1 при небольших D следует использовать не слишком высокие U. Для больших напряжений следует увеличивать D, например, до L~D, когда на длине своего пробега электроны ЭП1 большую часть своей энергии затратят на ионизацию газа. Все опыты проводились с гелием в устройствах с цилиндрическими электродами. С протяженными электродами можно получать ленточные ЭП.
D
d
w
r
EB
j
r
w
r
j
2
2
2
2
2
В опытах с устройством, фиг.2, для небольшого давления р=1 Торр геометрические размеры элементов газоразрядной ячейки были следующими: D=23 мм, =29.5 мм, d=30 мм, L=14 мм, δ=4 мм. Площади интересующих нас поверхностей электродов составили: для дна катода - S=4.15 см, для внутренней поверхности кольцевого электрода - S=2.9 см, для плоской поверхности кольцевого электрода - S=2.45 см. Параметры разряда, возбуждаемого прямоугольным импульсом с U=2.23 кВ, получились следующими: j=0.1 А/см, j=0.24 А/см, α=6.6, α=8.8, η=0.75. Ток ЭП отнесен к площади S+S, а полного тока к S+S+S. Очевидно, в области разряда сечением D, где присутствует эффект увеличения токов разряда, параметры α, α будут выше, чем усредненные по бóльшим сечениям.
D
d
w
r
EB
j
cf
cf
cf
cf
cf
cf
cf
cf
AD
cf
2
2
2
2
2
Для большего давления - р=7 Торр использовалось устройство, фиг.2, с иными размерами: D=23 мм, =34 мм, d=14.2 мм, L=5.8 мм, δ=4 мм, S=4.15 см, S=2.9 см, S=2.45 см. Параметры разряда, фиг.6, в момент, отмеченный вертикальной линией, когда U=1.25 кВ, получились следующими: j=0.75 А/см, j=4.9 А/см, α=3.1, α=20.4, η=0.15. По расчету для обычного аномального разряда [Сорокин А.Р. // ПЖТФ, т.26, №24, с.89-94, 2000], если принять U=U, параметр η должен быть - η=0.44. Существенное уменьшение η по сравнению с расчетным значением η произошло из-за перераспределения потенциала по длине промежутка d, приводящего к реальному уменьшению U и к увеличению падения потенциала на положительном столбе разряда. Поскольку эффективность η определяется величиной U, то η уменьшается одновременно с U. Наиболее резко - при малых U, когда резко падает эффективность эмиссии от бомбардировки катода быстрыми атомами, возникающими в процессах перезарядки положительных ионов. Оценки с заменой U на U справедливы, когда d не намного, например, в несколько раз, превышает длину l области катодного падения потенциала. В представленном случае l=0.7 мм <<d=14.2 мм. По этой же причине ток j, определенный по (1), с заменой U на U оказался завышенным, а параметр α заниженным. В опытах с меньшей толщиной кольцевого электрода - δ=1.5 мм параметр α уменьшился примерно пропорционально δ.
r
С устройством, фиг.3, когда токами на поверхность S, прикрытую диэлектрической пластиной - 8, можно пренебречь, в сходных с только что рассмотренным случаем условиях разряда, параметр α, как и следовало ожидать, повысился и составил α=7.8.
cf
Во всех разобранных случаях электроны пучка ЭП1 внедряются в область КПП у части поверхности катода сечением D и тем самым, ионизуя там газ, уменьшают число перезарядок ионов в КПП и число быстрых атомов, бомбардирующих катод. Параметры α и η снижаются. Чтобы избежать этого предложено устройство, фиг.5, в котором диэлектрическая пластина - 9 служит для того, чтобы отделить ЭП1 от области КПП. Толщина диэлектрической пластины - 9 должна быть >l.
d
j
cf
cf
j
e
d
cf
В опытах при давления р=6.5 Торр с устройством, фиг.5, геометрические размеры элементов газоразрядной ячейки были следующими: D=22 мм, d=14.2 мм, L=5.2 мм, δ=4 мм, диэлектрическая пластина - 9 толщиной 1 мм. Параметры разряда, фиг.7, в момент, отмеченный вертикальной линией, когда U=1.5 кВ, получились следующими: α=10.7, α=23, η=0.47. По расчету для обычного аномального разряда и U=U, параметр η должен быть - η=0.49. Для p=50 Торр, когда - l=0.1 мм: α=0.05, α=2.2, η=0.02, U=1.25 кВ. Кроме возросшего влияния эффекта перераспределения потенциала по длине промежутка d, дополнительное снижение параметров произошло, поскольку лишь малая часть пучка достигает коллектора - длина пробега электронов ЭП к коллектору по (2) с заменой U на U, что в данном случае существенно завышает L, получается L=7.7<d+L=19.4 мм. До середины D не доходит и пучок ЭП1. В этом случае оптимальным будет промежуток d меньшего размера, когда при том же U повыситься U.
Неустойчивость разряда для предложенного способа, ограничивающая диапазон рабочих U, p, связана с переходом разряда в искру. Искрение может возникать по трем причинам: для устройства, фиг.1, 2, 4, из-за развития искры по поверхности диэлектрической стенки газоразрядной ячейки с места контакта кольцевого электрода - 3 с диэлектрической стенкой газоразрядной ячейки на анод - 4 или 5; для устройств, фиг.3, 5, неустойчивость развивается с кольцевого электрода - 3 на кромку отверстия в диэлектрической пластине - 8 и далее на анод - 4 или 5. Третий вид неустойчивости для всех устройств, фиг.1-5, - искра напрямую с катода на анод - типичная неустойчивость тлеющего разряда в целом в отсутствие паразитных краевых эффектов. Первый тип неустойчивости проявляет себя при меньших значениях U, р. Вторая и третья причины появления неустойчивости могут иметь одинаковое значение.
d
Параметры зависят от сорта газа, его давления, напряжения питания, материалов катода, кольцевого электрода и диэлектрических пластин. В опытах использовался дюралевые катод и кольцевой электрод, диэлектрическая пластина - 9 из стекла, а диэлектрическая пластина - 8 из кварца. Во всех устройствах, если ЭП используется совместно с разрядом в промежутке d, анод сплошной - 4. Если ЭП используется вне разряда в области - L дрейфа ЭП, анод сетчатый - 5.
D
Устройство, фиг.1, 2, содержит: катод - 2 и анод - 4 или 5, которые образуют разрядный промежуток - d, кольцевой электрод - 3 с внутренним и внешним диаметрами соответственно D и . Все эти элементы помещены в единую газоразрядную ячейку. Устройства, фиг.3, 5 дополнительно содержат диэлектрическую пластину - 8 с отверстием, равным D. Устройства, фиг.4, 5, дополнительно содержат еще и диэлектрическую пластину - 9 с отверстием, равным D, а катод электрически соединен с кольцевым электродом. Высоковольтный источник питания - 1 подсоединяют к катоду - 2 и аноду - 4 или 5. Коллектор - 6, переключатель - 7 и сопротивления R1, R2, R3 не являются элементами устройств и служат для измерений параметров разряда.
Предложенные устройства работают следующим образом. Газоразрядную ячейку заполняют рабочим газом. Путем подачи напряжения от высоковольтного источника питания - 1 на катод - 2 и анод - 4 (или на сетчатый анод - 5) зажигают разряд в промежутке d. В результате по периметру поверхности катода - 2 с внутренней поверхности кольцевого электрода - 3 формируется электронный пучок, который распространяется над частью поверхности катода - 2 сечением D, вызывая дополнительную ионизацию газа, и в сторону анода - 4 (или сетчатого анода - 5) от поверхности катода распространяется сильноточный электронный пучок, используемый в области d (или за сетчатым анодом) по назначению.
Использование предлагаемого изобретения, в сравнении с прототипом, позволяет снять ряд ограничений, связанных с наличием катодной полости. Отсутствие катодной полости и связанных с ней принципиальных ограничений позволили, в частности, работать в более широком диапазоне рабочих давлений, до десятков Торр, без внесения изменений в конструкцию устройства. Являясь более универсальным устройством, чем устройство прототипа, в нем дополнительно можно регулировать параметры разряда, но уже изменением элементов в катодном узле. Так, изменяя толщину кольцевого электрода δ, можно регулировать интенсивность дополнительной ионизации газа и, следовательно, токи разряда. Для повышения эффективности формирования ЭП можно кольцевой электрод отделить от остальной части катода диэлектрической пластиной, так чтобы ЭП1 не внедрялся в область катодного падения потенциала основного разряда. В предложенных устройствах, фиг.3, 5, обеспечивается более высокая стабильность разряда по отношению к искрообразованию, чем в прототипе. Работа устройств в квазистационарных условиях возбуждения разряда позволяет заключить о возможности его перевода в непрерывный режим.