СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРОНОВ НА ОСНОВЕ ИОННО-ЭЛЕКТРОННОЙ ЭМИССИИ
METHOD FOR INCREASING ENERGY EFFICIENCY OF ELECTRON SOURCES BASED ON ION-ELECTRON EMISSION

Изобретение относится к области генерации электронных пучков большого сечения.
Известно несколько способов генерации широкоапертурных электронных пучков, сечение которых достигает нескольких тысяч квадратных сантиметров, выведенных в атмосферу или газ высокого давления через выпускное фольговое окно. Для генерации таких пучков используются в основном три типа источников электронов, отличающиеся типом используемого катода (источники с термоэлектронной эмиссией, со взрывной эмиссией и плазменные газоразрядные источники). Относящиеся к последнему типу источники электронов на основе ионно-электронной эмиссии отличаются относительной простотой конструкции, отсутствием нагревательных элементов, высоким сроком службы, умеренными требованиями к насосной группе, возможностью управления током пучка без изменения ускоряющего напряжения. При генерации пучков электронов, используя как данный тип источников электронов, так и любые другие, отдельное внимание уделяется снижению энергетических потерь, связанных с рассеянием мощности пучка на ребрах анодной решетки и ребрах опорной решетки выпускного фольгового окна. В частности, в источниках электронов на основе ионно-электронной эмиссии в несамостоятельном высоковольтном тлеющем разряде (ВТР) имеется недостаток, связанный с зависимостью коэффициента вывода тока пучка из вакуума в атмосферу от конфигурации электродной системы, эмиссионной способности высоковольтного катода и сформированной ионно-электронной оптической системы в ячейках анодной решетки. Данный недостаток отмечен в работах [1, 2, 3], являющихся ближайшими аналогами данного изобретения. Несмотря на данный недостаток такие ускорители находят применение в генерации озона для очистки воды [4], отверждении полимерных покрытий [5], накачки газовых лазеров [6], поскольку рассчитывается и выбирается такая оптимальная электронная оптика, когда при номинальном токе пучка коэффициент вывода тока пучка в атмосферу максимален.
2
2
Ближайшим прототипом заявленного изобретения является источник электронов на основе несамостоятельного высоковольтного тлеющего разряда, приведенный в работе [7]. Рассмотренный источник позволяет формировать низкоэнергетический электронный пучок сечением 30×45 см с энергией до 200 кэВ как в непрерывном, так и импульсно-периодическом режиме с частотой генерации до 100 Гц при фиксированной длительности импульса равной 30 мкс. Формирование анодной плазмы осуществляется вспомогательным разрядом с полым катодом и тонкопроволочными анодами. При энергии 140 кэВ в непрерывном режиме коэффициент вывода тока пучка составляет около 0,32 при токе вспомогательного разряда 55 мА и плотности тока пучка ≈ 40 мкА/см.
Недостатком прототипа является сильная взаимозависимость параметров генерируемого электронного пучка, что приводит к нарушению электронной оптики и росту потерь на ребрах решеток (анодной или выводной). Так при повышении тока вспомогательного разряда с 25 до 96 мА коэффициент вывода снизился с 0,37 до 0,31 соответственно при энергии 146 кэВ.
Техническим результатом заявленного изобретения является разработка энергетически более эффективного способа генерации и вывода электронного пучка из вакуума в атмосферу или объем повышенного давления путем использования импульсно-периодического высокочастотного вспомогательного тлеющего разряда.
2
Поставленная задача решается тем, что в заявленном способе повышения энергетической эффективности широкоапертурных (сечение пучка более 100 см) источников электронов на основе ионно-электронной эмиссии с выводом пучка в атмосферу используют источник электронов на основе несамостоятельного высоковольтного тлеющего разряда (ВТР), в отличие от прототипа плазму вспомогательного тлеющего разряда генерируют в импульсно-периодическом режиме с частотой до 100 кГц с возможностью горения дежурного фонового слаботочного разряда, а амплитуду тока вспомогательного разряда изменяют путем изменения коэффициента заполнения импульсов в диапазоне 0,1-0,9. В заявленном способе повышают коэффициент вывода тока пучка из вакуума в атмосферу или газ высокого давления при фиксированном ускоряющем напряжении в диапазоне 100-250 кВ и неизменном среднем значении тока вспомогательного тлеющего разряда в диапазоне 10-200 мА.
Указанный технический результат может быть достигнут следующим образом.
В ускорителе электронов на основе несамостоятельного ВТР анодная плазма создается вспомогательным тлеющим разрядом с частотой 10-100 кГц со стабилизацией среднего значения тока разряда, что дает возможность изменять его амплитудное значение путем изменения коэффициента заполнения импульса, а, следовательно, управлять концентрацией и положением границы эмиссионной плазмы и изменять ионно-электронную оптику системы, достигая более высоких значений коэффициента вывода тока пучка из вакуума в атмосферу или газ высокого давления. Возможность управления концентрацией эмиссионной плазмы может быть реализована в роли высокочастотной ампердобавки к дежурному тлеющему разряду постоянного тока, запитанного отдельным источником тока.
Известно [8], что величину тока разряда (дугового или тлеющего) в плазменном эмиттере можно изменять сравнительно быстро (на уровне единиц-десятков микросекунд). Это позволяет также быстро изменять параметры эмиссионной плазмы, а в частности, ее концентрацию. Это позволяет генерировать импульсы тока тлеющего разряда амплитудой до единиц ампер при частоте следования импульсов до 100 кГц и сохранении среднего значения тока разряда путем регулировки коэффициента заполнения импульсов.
Пример использования заявленного способа приведен ниже.
K=I
/I
b
0
Коэффициент вывода электронного пучка определяется через отношение тока пучка, выведенного в атмосферу, к току в ускоряющем промежутке  (фиг. 1). На фиг. 1 приведена структурная схема используемого ускорителя электронов на основе несамостоятельного ВТР (1 - коллектор; 2 - выводная фольга; 3 - область вспомогательного разряда; 4 - источник вспомогательного разряда; 5 - источник высокого напряжения; 6 - опорная решетка; 7 - тонкопроволочный анод; 8 - анодная решетка; 9 - область несамостоятельного ВТР; 10 - высоковольтный катод; 11 - экран; 12 - изолятор).
I
I
I
p(He)
0
d
b
На фиг. 2 приведена характерная осциллограмма токов в непрерывном режиме (CH1 - ток в ускоряющем промежутке  (10 мА/дел), CH3 - ток вспомогательного разряда  (40 мА/дел), CH4 - ток пучка  (5 мА/дел) в непрерывном режиме (50, 70, 80, 100, 120, 140, 150 кВ), а на фиг.  3 - зависимость коэффициента вывода от ускоряющего напряжения в непрерывном режиме ( = 0,9 Па).
В исследованной области токов 30-80 мА коэффициент вывода не зависит от величины амплитуды тока и составляет менее 0,25 при ускоряющем напряжении 140 кВ, что позволяет говорить о слабом изменении конфигурации ионно-электронной оптической системы и низкой эффективности вывода пучка в атмосферу. Верхнее ограничение по току в 80 мА обусловлено нестабильной работой ускорителя в области токов более 100 мА при непрерывном режиме генерации, что затрудняет выход на рабочий режим с напряжением 150 кВ.
I
f
D
p(He)
I
I
I
D
D
p(He)
I
f
D
K
d
0
d
b
d
Примененный импульсно-периодический режим генерации вспомогательного разряда, показанный на фиг. 4 ( = 30 мА, = 10 кГц,  = 20%,  = 0,75 Па; CH1 - ток в ускоряющем промежутке (10 мА/дел), СН3 - ток вспомогательного разряда  (50 мА/дел), СН4 - ток пучка  (5 мА/дел)), позволяет осуществлять более гибкую регулировку параметров разряда. Регулировка коэффициентом заполнения импульсов  позволяет как изменять длительность импульса, так и амплитудное значение при стабилизации среднего тока разряда. На фиг. 5 приведена зависимость коэффициента вывода тока пучка из вакуума в атмосферу от ускоряющего напряжения при разных  ( = 0,75 Па,  = 30 мА, = 10 кГц). Так, при =20% мгновенное значение коэффициента вывода превысило значение =0,5 при ускоряющем напряжении 150 кВ.
T
T
С
W
= I
×U
I
K=W
/W
I
D
f
1
2
2
0
0
0
1
2
d
Для сравнения энергетической эффективности непрерывного и частотного импульсно-периодического режима был проведен эксперимент с использованием водоохлаждаемого калориметра, принцип действия которого основан на поглощении водой энергосодержания пучка и измерении разницы температур этой воды на входе () и выходе () калориметра. Выведенная мощность пучка определялась по выражению  в котором - удельная теплоемкость воды,  - массовый расход воды, при этом температура воды на выходе калориметра фиксировалась с достижением стационарного режима (отсутствие изменения температуры). Мощность в ускоряющем промежутке определялась как (берется среднее значение тока  для частотного режима), после чего рассчитывался коэффициент вывода мощности пучка . При ускоряющем напряжении 145 кВ и токе 30 мА в непрерывном режиме коэффицент вывода мощности составил 0,15; в частотном имульсно-периодическом режиме 0,2 при =30 мА, = 50%, = 20 кГц.
Таким образом предлагаемый способ повышения энергетической эффективности источников электронов на основе ионно-электронной эмиссии при выводе пучка в атмосферу или газ высокого давления позволяет существенно повысить мгновенное значение коэффициента вывода тока и мощности пучка, а также повысить эффективность вывода мощности без каких-либо изменений электродной системы источника электронов.
Источники информации:
1) Аброян М.А., Евстратов И.Ю., Косогоров С.Л., Мотовилов С.А., Сиротинкин В.В., Шапиро В.Б. Широкоапертурные ускорители электронов с высоким коэффициентом вывода пучка // ПТЭ. 1998. № 2. С. 83 - 88.
2) Гаврилов Н.В., Крейндель Ю.Е., Щанин П.М. Импульсный источник электронов на основе несамостоятельного высоковольтного тлеющего разряда // ПТЭ. 1984. №2. С. 143-146.
3) А.с. 409311 СССР, МКИ H 01 J 9/02, 9/04. Способ изготовления источника электронов / Н.А. Успенский, В.П. Федяков. - № 1189278; заявл. 29.03.84; опубл. 07.07.89, Бюл. № 25.- 3 с.
4) Косогоров С.Л., Успенский Н.А., Шведюк В.Я., Васеленок А.А, Джигайло И.Д., Смирнов Г.А. Широкоапертурные низкоэнергетические ускорители электронов АО «НИИЭФА» на основе высоковольного тлеющего разряда // Известия ВУЗов. Физика. 2020. Т. 63. № 10. С. 41-47.
5) Аброян М.А., Косогоров С.Л., Мотовилов С.А., Туманов И.А., Шведюк В.Я. Разработка и исследование генератора озона на основе несамостоятельного разряда и пути повышения его эффективности // В кн. “Развитие и совершенствование способов и средств очистки и обеззараживания питьевых и сточных вод”. Вологда: Полиграфист, 2003. С. 65-70.
6) Clark W.M., Dunning G.J. A long pulse high-current gun for e-beam sustained eximer lasres // IEEE Journal of quantum electronics. 1978. V. qe-14. №. 2. pp. 126-129.
7) Баранов Г.А., Гурашвили В.А., Джигайло И.Д., Комаров О.В., Косогоров С.Л. и др. Сравнение широкоапертурных низкоэнергетических ускорителей электронов на основе высоковольтного тлеющего разряда с ускорителями на основе протяженных термоэмиттеров // ПТЭ. 2020. № 2. С. 102-108.
8) Воробьев М.С., Москвин П.В., Шин В.И., Коваль Н.Н., Ашурова К.Т. и др. Динамическое управление мощностью мегаваттного электронного пучка субмиллисекундной длительности в источнике с плазменным катодом // Письма в ЖТФ. 2021. Т. 47. Вып. 10. С. 38-41.