Плазменный источник электронов
.ПЛАЗМЕННЫЙ ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРОНОВ , содержащий осесимметрично расположенные катод, анод с осесимметричным отверстие, промежуточный, управляющий и ускоряющий электроды, огТ л и ча ющ ий с я тем,.что, с целью повышения надежности и экономичности .источника электронов, управлягаций электрод вьтолнен в виде полого цилиндра с входной и выходной торцевыми диафрагмами, -в которых вы-, полнены осесимметричные отверстия, отношение Диаметров которых заключено в пределах 2-4, где вх соответственно диаметры отверстий в выходной и входной диафрагмах, при этом диаметр отвер-. (Л стия во входной диафрагме равен диаметру отверстия в аноде, а размеры полости в управляющем электроде более чем в 2 раза.превышают диаметр отверстия в выходной диафрагме. .U 00 со ел а
СОЮЗ COBETCHHX
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
„„SU
4(51) Н 01 J 3/02 рь
1 ф
1 . 1
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР
IlO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3397019/18-21 (22) 11.02.82(46) 30.06.85 ° Бюл. № 24. (72) В.А. Никитинский, Б.С. Лозовой и О.А. Богатырев (71) Рубежанский филиал Ворошилов5 градского машиностроительного института (53) 621.387.1(088.8) (56) 1. Крейндель Ю.Е. и др. Электронный источник на основе плазма- трона с трубкой Пеннинга. ПТЭ, 1970,. № 1, с. 242-243.
2. Nard G.D.S. А perforated hpllow cathode eletron beam gun. Va-
cuum, 1968, 18, № 9, P. 507.
3. Гапоненко А.Т, и др. Электронная пушка на основе самостоятельного дугового контрагированного разряда "Электронная обработка материалов", 1978, № 5, с. 80 (прототип). (54) (57) .ПЛАЗМЕННЫЙ ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРОНОВ, содержащий осесимметрично расположенные катод, анод с осесимметричным отверстием, промежуточный, управляющий и ускоряющий электроды, отличающийся тем,.что, с целью повышения надежности и экономичности источника электронов, уп- равляющий электрод выполнен в виде полого цилиндра с входной и выходной торцевыми диафрагмами, в которых вы-. полнены осесимметричные отверстия, отношение диаметров которых. заключено в пределах . е /d » = 2-4, rpe
d,„ и d „„ — соответственно диаметрй отверстий в выходной и входной диафрагмах, при этом диаметр отвер-: стия во входной диафрагме равен диаметру отверстия s аноде, а размеры полости в управляющем электроде более чем в 2 раза. превышают диаметр отверстия в выходной диафрагме, 1048956
Изобретение относится к газоразрядным технологическим устройствам, в частности к плазменным источникам электронов, и может быть использо-вано для обработки материалов в вакууме (сварки, плавки и т.д.).
Известен плазменный источник электронов, в котором извлечение электронов осуществляется из плазмы дугового контрагированного разря- 10 да «11. Этот источник обладает низкой электрической прочностью ускоряющего промежутка и малой экономичностью извлечения электронов, т.е. г мало отношение тока пучка электронов 15 к разрядному току.
Известен также плазменный источник электронов на основе высоковольтного тлеющего разряда с полым. катодом (2). Его недостатками являются сильная зависимость тока пучка
Ф от давления в рабочей камере и низкая электрическая прочность, обусловленная высокими рабочими давлениями (- 10 мм рт. ст.). .г5
Известен также плазменный источник электронов, -содержащий осесимметрично расположенные катод, анод с осесимметричным отверстием, промежуточный, управляющий и ускоряющий электроды f3 3. Недостатками этого источника являются малая надежность из-за низкой электрической прочности ускоряющего промежутка и малая экономичность извлечения электронов.
Низкая электрическая прочность уско- ° ряющего промежутка обусловлена плохим токолрохождением через отверстие ускоряющего электрода,, что связано с неравномерностью плотности пдазмы, вызванной контрагированием разряда .и образованием по этой причине выпуклой границы плазмы, расфокусирующей электроны. Установка экспандера уменьшает расфокусировкупучка,но при этом значительная часть элекч ранов теряется на стенках экспандера, что снижает экономичность извлечения.
Цель изобретения — повышение надежности и экономичности плазменного источника электронов.
Это достигается тем, что в плазменном источнике электронов, содержащем осесимметрично расположенные катод, анод с осесимметричным отверстием, промежуточный, управляющий и ускоряющий электроды, управляющий электрод выполнен в виде полого цилиндра с входной и выходной торцевыми диафрагмами, в которых выполнены осесимметричные отверстия, отношение диаметров которых заключено в пределах d „„/d з„= 2-4, где dö„,„è de,„соответственно диаметры отверстий в выходной и входной диафрагмах, при этом диаметр отверстия во входной диафрагме, равен диаметру отверстия в аноде, а размеры полости в управляющем электроде более чем в 2 раза превышают диаметр отверстия в выходной диафрагме.
На чертеже схематично изображен предлагаемый плазменный источник электронов, который состоит, из катода 1, промежуточного электрода 2, анода 3, ускоряющего электрода 4, управляющего электрода 5 с входной диафрагмой 6 и выходной диафрагмой 7.
Плазменный источник электронов работает следующим образом.
При включении разрядного напряжения, прикладываемого между катодам
1 и анодом 3, в разрядной камере зажигается дуговой разряд между этими электродами через отверстие в промежуточном электроде 2. С катодной стороны промежуточного электрода возI никает двойной электростатический слой, который заставляет часть электрбнов разрядного тока попадать через отверстия в аноде 3 и во входной диафрагме 6 в полость управляющего эл ктрода 5. Электроны, ускоренные напряжением двойного слоя, ионизируют в полости газ, который поступает из разрядной камеры, и в полости об— разуется плазма. Из расходящегося потока электронов лишь незначительная приосевая часть их выходит в сторону ускоряющего электрода, а остальная часть оседает на внутрен- ние стенки полости управляющего электрода. При включении усКоряющего напряжения между электродами 4 и 5 электроны, вышедшие из полости управляющего электрода 5 через отвер-. стие в выходной диафрагме 7, ускоря- ются и формируются в пучок. Равномерная плотность эмиссии электронов способствует формированию вогнутой границы плазмы, хорошему токопрохожде- . нию пучка электронов и увеличению электрической прочности ускоряющего промежутка. Однако ток пу1ка мал по величине ° Повышение давления газа в ускоряющем промежутке путем увелиз 10489 чения расхода газа в разрядную камеру или ускоряющий электрод приводит к появлению плазмы в отверстии ускоряющего электрода за счет ионнзацни пучком электронов. Образовавшиеся в электрическом поле ускоряющего про- ° межутка ионы ускоряются и попадают в полость управляющего электрода.
Здесь быстрые ионы перезаряжаются, образуя медлениые ионы, и sa счет 1о большого времени их жизни повьппают. потенциал плазмьг в полости до величины порядка сотен вольт. Повьппение потенциала приводит, во-первых, к увеличению доли электронов, поступакицих из разряда в полость из-за перераспределения анодного тока между электродами 3 и 5 и, во-вто-. рых, увеличение энергии электронов приводит к.усилению объемной генерации.как электронов, так и ионов, а появление вблизи внутренних стенок полости управляющего электрода 5 электростатического слоя с потенциалом в сотни вольт способствует 25 ускорению электронов, выбитых со стенки ионами. Эти электроны также принимают участие в генерации новых электронов (физические явления, связанные с перезарядкой и объемной генерацией заряженных частиц, аналогичны процессам, характерным для, высоковольтного тлеющего разряда; с полым катодом). Медленные электро- ны, возникающие в,полости за счет объемной ионизация, а также элект35 роны, поступившие из разряда, но потерявшие часть энергии при взаимодействии с плазмой полости, не могут. покинуть эту полость иначе как толь40 ко через отверстие в выходной диафрагме. Таким образом;достигается увеличение тока пучка при неизменном разрядном токе, т.е. повьппение экономичности источника.
Одновременно достигается повышение надежности источника электронов за счет хорошего токопрохождения интенсивного пучка электронов через ,отверстие в ускоряющем электроде, благодаря равномерному распределению
56 4 цлотности тока эмиссии электронов с границы плазмы и устранению расфокусирующего действия в ускоряющем электроде.
Отношение диаметров отверстий
dïü „ пх = 2-4 выбирается таким, пь чтобы обеспечить устойчивый высоковольтный тлеющий разряд между полостью управляющего электрода.и ускоряющим электродом и исключить пере-. ход разряда через малое отверстиево входной диафрагме в разрядную камеру. Отклонение от указанного со отношения в большую сторону, вызывает снижение давления в полости и ухудшает условия зажигания высоковольтного тлеющего разряда. Отклонение в меньшую сторону приводит к облегченйю зажигания высоковольтного тлеющего разряда через полость в pas- рядную камеру, что приводит к пробою ускоряющего промежутка.
Соотношение м d „= 1 (8д — ди». аметр отверстия в аноде} выбирается на основании того, что отклонение от него в большую сторону вызывает ухудшение управляющих свойств управляющего электрода, а отклонение в меньшую сторону снижает ток электро-. нов, поступающих из разрядной камеры,. что уменьшает ток пучка.
Линейные размеры полости должны более чем в 2 раза превышать диамЕтр отверстия в выходной диафрагме, чтобы обеспечить колебания электронов в полости и тем самым облегчить зажигание в полость высоковольтного тлеющего разряда.
Проведенныеиспытания прототипа и предлагаемой конструкции показали что экономичность предлагаемого источника, представляющая собой отношение тока пучка к разрядному току, . составила 507, а для прототипа — ЗЗЖ.
Токопрохождение в предлагаемом источ» нике 99Х, тогда как в прототипе -,90X °
Таким образом отличительные признаки предлагаемого устройства обес» печивают его более высокую надежность и экономичность по сравнению с прототипом
1048956
Техред Т.Дубичнак
Корректор Е.. Сирохман
Редактор Л. Письман
Тираж 679
ВНИИПИ Государственного комитета СССР но делам изобретений и открытий
113035, Москва, R-35, Раушская наб., д. 4/5
Подлисное
Заказ 4499/3
Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4
