СИЛЬНОТОЧНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ ПУШКА
HIGH-CURRENT ELECTRON GUN

Изобретение относится к технике генерирования импульсных сильноточных электронных пучков (СЭП) и может быть использовано для создания сильноточных электронных ускорителей, а также для поверхностной обработки материалов и изделий этими пучками.
Известна сильноточная электронная пушка [1], содержащая аксиально-симметричные взрывоэмиссионный катод, плазменный анод на основе отражательного разряда (ОР) типа Пеннинга, коллектор и металлический корпус, электрически соединенный с коллектором и выполняющий функцию обратного токопровода. Анодная плазма, генерируемая в ОР, предварительно заполняет пространство между катодом и коллектором. При последующей подаче импульса ускоряющего напряжения на катод электрическое поле сосредотачивается в прикатодном слое объемного заряда ионов анодной плазмы. На катоде происходит возбуждение взрывной эмиссии с образованием множества сгустков плотной катодной плазмы - эмиттера электронов. После этого приложенное напряжение практически полностью сосредотачивается в двойном электрическом слое между катодной и анодной плазмами, в котором происходит ускорение и формирование электронного пучка. Ускоренный в двойном слое пучок транспортируется в анодной плазме до коллектора в условиях практически полной зарядовой нейтрализации. Ток пучка на коллектор «стекает» во внешнюю цепь через обратный токопровод, которым является металлический корпус пушки, как правило, представляющий собой трубу. Наличие анодной плазмы существенно увеличивает первеанс электронного потока по сравнению с потоком в вакуумном канале той же протяженности, что обеспечивает формирование и транспортировку СЭП даже при относительно низких значениях ускоряющего напряжения (десятки кВ). При высоких ускоряющих напряжениях (порядка 100 кВ и более) возможно формирование СЭП и в вакууме, в этом случае анодом служит металлическая сетка или фольга. Для предотвращения линчевания пучка либо его рассыпания на стенки металлического корпуса пушки (трубы дрейфа) его формирование и транспортировка осуществляются в продольном (ведущем) магнитном поле, создаваемом соленоидом.
Недостатком данной электронной пушки является форма получаемого электронного пучка, неизменно круглая в поперечном сечении, которая нерациональна при обработке крупногабаритных изделий, когда необходимо сканировать электронный пучок по их поверхности. При этом сканирование осуществляется путем перемещения изделия в паузе между импульсами пучка. Для однородной обработки поверхности пучком круглого сечения необходимо использовать малый шаг сканирования (примерно на порядок меньше диаметра пучка), что существенно снижает производительность процесса обработки. Пучок прямоугольного (квазипрямоугольного) сечения позволил бы резко увеличить шаг сканирования и, следовательно, производительность процесса. В то же время с точки зрения формирования пучка и из конструктивных соображений удобнее аксиально-симметричные электронные пушки. Таким образом, трансформация пучка из круглого в квазипрямоугольный в канале транспортировки позволила бы оптимально сочетать удобство формирования пучка с эффективностью обработки крупногабаритных изделий. При необходимости возможны и другие формы поперечного сечения пучка.
Задача, решаемая изобретением, - повышение производительности процесса электронно-пучковой обработки изделий при сохранении однородности.
Техническим результатом заявляемого изобретения является преобразование формы поперечного сечения сильноточного электронного пучка из круглой в квазипрямоугольную.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известной сильноточной электронной пушке, размещенной во внешнем ведущем магнитном поле и содержащей аксиально-симметричные взрывоэмиссионный катод, плазменный анод, коллектор и трубчатый металлический корпус, электрически соединенный с коллектором и являющийся обратным токопроводом, согласно изобретению для управления формой поперечного сечения сильноточного электронного пучка выходная часть обратного токопровода выполнена аксиально-несимметричной, при этом расстояния между краем пучка и ближайшими частями обратного токопровода не превышают диаметра пучка, а напряженность ведущего магнитного поля сравнима по порядку величины с напряженностью собственного магнитного поля пучка.
На участке канала транспортировки, где обратным токопроводом является труба, результирующая сила Ампера, создаваемая током, протекающим по ней (обратным током), внутри объема, охваченного трубой, равна нулю. Поэтому пучок сохраняет свою форму, заданную в области формирования, фактически воспроизводит форму поперечного сечения катода. На выходном этапе же транспортировки электронного пучка соответствующая часть обратного трубопровода не обладает аксиальной симметрией и результирующая сила Ампера уже не равна нулю. Сила Ампера токов, протекающих по выходному отрезку трубопровода, стремясь оттолкнуть электронный пучок, деформирует его. Такая деформация пучка возможна, если напряженность собственного магнитного поля пучка сравнима по величине с напряженностью внешнего ведущего магнитного поля и расстояния между краем пучка и ближайшими частями обратного токопровода не превышают диаметра пучка.
Пример 1
2
На Фиг.1 приведена принципиальная схема сильноточной электронной пушки, в которой реализовано управление формой поперечного сечения пучка. Пушка включает в себя взрывоэмиссионный катод 1, кольцевой анод отражательного разряда 2, закрепленный на металлокерамическом вводе 3, коллектор 4. Корпус электронной пушки 5 представляет собой трубу из нержавеющей стали внутренним диаметром 20.6 см. Пушка пристыкована к вакуумной камере диаметром 40 см и глубиной 42 см. На выходном торце трубы крепится кольцевая диафрагма 6 с отверстием 12 см, к которой через две или четыре плоские медные шины 7 шириной от 3.5 см до 9 см присоединяется коллектор пучка 4. Длина шин составляет 4 см. Расстояние между противоположными шинами L варьировалось от 9,2 до 15,2 см, располагались они на равном удалении от оси системы. Система данных шин и представляет собой участок обратного токопровода, обеспечивающего трансформацию пучка. Диаметр эмитирующей части катода был равен внутреннему диаметру кольцевого анода и составляет 8,5 см. Амплитуда ускоряющего напряжения составляла 20-30 кВ, амплитуда тока пучка 10-20 кА, длительность импульса 2,7-3,5 мкс, плотность энергии пучка на мишени - до 8 Дж/см, индукция внешнего ведущего магнитного поля, создаваемого секционированным соленоидом, составляла 0,17 Тл. Форма поперечного сечения пучка изучалась по его автографам на пластинах из нержавеющей стали размерами 15×15 см и 22×22 см. Автографы пучка представляли собой области оплавления поверхности пластин.
Электронный пучок формируется в двойном слое 8 между взрывоэмиссионной катодной плазмой 9 и плазменным анодом 10, создаваемым с помощью сильноточного отражательного разряда в аргоне при давлении 0,04-0,07 Па, и транспортируется к коллектору во внешнем ведущем магнитном поле, создаваемом секционированным соленоидом 11. Столб анодной плазмы фактически представляет собой канал транспортировки пучка. Концентрация анодной плазмы
a
12
-3
(n≈(3-5)×10 см) примерно на порядок превосходит концентрацию электронов пучка, что обеспечивает его зарядовую нейтрализацию. На участке канала транспортировки, где обратным токопроводом является труба, результирующая сила Ампера, создаваемая током, протекающим по ней (обратным током), внутри объема, охваченного трубой, равна нулю. Поэтому пучок сохраняет свою форму, заданную в области формирования, фактически воспроизводит форму поперечного сечения катода. На выходном участке токопровода, созданном плоскими шинами и не обладающем аксиальной симметрией, результирующая сила Ампера уже не равна нулю. Сила Ампера токов, протекающих по шинам, стремясь оттолкнуть электронный пучок, деформирует его, и пучок из круглого становится квазипрямоугольным.
На Фиг.2 приведены автографы пучка, полученные для различных конфигураций обратного токопровода: (а) - осесимметричной (цилиндрической), (б) - две шины шириной 9 см, (в) - четыре шины шириной 9 см. Расстояние между противоположными шинами составляло 15,2 см. Видно, что в случае двух шин форма поперечного сечения пучка близка к прямоугольной, а в случае четырех шин - к квадратной.
Пример 2
Кроме экспериментов были проделаны численные расчеты траекторий электронов пучка для геометрий, соответствующих условиям эксперимента, с помощью пакетов программ MATLAB и COMSOL Multiphysics. Расчеты выполнялись в приближении полной зарядовой нейтрализации, что также соответствует условиям эксперимента. На Фиг.3 жирными точками показаны проекции траекторий краевых электронов пучка на мишень, из которых также видно преобразование формы пучка, согласующееся с экспериментальными результатами.
Из Примеров 1 и 2 видно, что преобразование формы пучка может быть осуществлено на сравнительно коротком (несколько см) заключительном участке канала транспортировки.
Источник информации
1. Озур Г.Е., Оке Е.М., Проскуровский Д.И. Способ формирования электронных пучков с помощью взрывоэмиссионной электронной пушки. // Патент РФ (19) RU (11) 1706329 H01J 3/02. Заявл. 09.01.89. - БИ №10. - 1994. - С.203.