Генератор электронного пучка

 

Изобретение относится к физической электронике и может быть использовано в системах накачки газовых лазеров и для инициирования плазмохимических реакций в газах среднего давления (10-100 торр). Технический результат - создание генератора пучка электронов с энергией в диапазоне килоэлектронвольт с повышенной средней мощностью непосредственно в газе среднего давления. Генератор электронного пучка содержит разрядную структуру, состоящую из катодного и анодного элементов, расположенных в рабочем газе. Катодный элемент выполнен в виде охлаждаемой металлической пластины, на обращенную к аноду поверхность которой нанесено диэлектрическое покрытие со сквозным отверстием. Анод выполнен в виде расположенной вплотную к диэлектрическому покрытию пластины с отверстием, размещенным над отверстием в диэлектрическом покрытии. Выбор толщины покрытия h и диаметра отверстия в нем d производится исходя из соотношений h≥U/Е_пр, где U - рабочее напряжение генератора, Е_пр - пробивная напряженность электрического поля для покрытия, d ≅ P/ΔTλ, где Р - вкладываемая мощность, ΔТ - допустимая величина перегрева диэлектрического покрытия, λ - коэффициент теплопроводности материала катодной пластины. Пучок ускоренных электронов формируется в области катодного падения потенциала аномального тлеющего разряда, возникающего при подаче рабочего напряжения на разрядную структуру генератора. 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области физической электроники и может быть использовано в системах накачки газовых лазеров и для инициирования плазмохимических реакций в газах среднего давления (10-100 торр).

Известен генератор электронного пучка (ГЭП), основным элементом которого является вакуумный диод, состоящий из катода, изолятора и тонкого анода для выпуска электронов в рабочий газ. (С.П. Бугаев, Е.А. Литвинов, Г.А. Месяц, Д. И. Проскуровский. Взрывная эмиссия электронов. УФН т. 115, вып. 1, с. 101-120, 1975). Для эффективного вывода электронов в рабочий газ применяется фольговый анод, обладающий минимальным поглощением для электронов пучка, но способный выдерживать давление, оказываемое газовой средой.

Недостатком такого ГЭП является ограничение средней мощности пучка тепловой стойкостью анодной фольги. Требования к механической прочности приводят к ограничению на минимальную толщину анода, вследствие чего технически невозможно получение пучков с энергией приблизительно ≅ 100 кэВ. Известен также ГЭП, содержащий разрядную структуру, расположенную непосредственно в рабочем газе и состоящую из металлического катода и сетчатого анода, расположенных на незначительном расстоянии друг от друга (П.А. Бохан, А.П. Сорокин. Открытый разряд, генерирующий электронный пучок: механизм, свойства и использование для накачки лазеров среднего давления. ЖТФ, т.55, вып.1, с. 88-95, 1985). Генерация электронного пучка в газе при давлении p возникает при размещении анода на расстоянии d, определяемом из условия pd ≅ pd_min, где pd_min ~ 1-3 торр•см - произведение давления газа на длину промежутка в минимуме Пашеновской кривой пробоя газа.

Недостатком такого ГЭП является ограничение средней мощности генерируемого пучка тепловой стойкостью тонкой анодной сетки из-за вынужденно малых размеров разрядного промежутка в плотном газе.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является ГЭП на основе аномального тлеющего разряда (Ю.С. Акишев, Н.А. Дятко, А. П. Напартович, П. И. Перетятько. Аномальный тлеющий разряд в плотных газах как источник быстрых электронов килоэлектронвольтного диапазона. ЖТФ, т. 89, вып. 8, c. 14-16, 1989). ГЭП содержит разрядную структуру, катодными элементами которой являются запрессованные в керамику металлические стержни диаметром 1 мм, а анод выполнен в виде сетки, расположенной на расстоянии ≈ 1 мм от керамической поверхности. Возможность применения массивных анодных сеток позволяет повысить среднюю мощность пучка и обеспечить квазинепрерывную генерацию электронного пучка в плотном газе.

Недостатком данной конструкции являются высокие потери электронов пучка на анодной сетке, ограниченная тепловая стойкость сетки и тонких катодных элементов, что приводит к ограничению на среднюю мощность пучка.

Предлагаемое изобретение решает задачу создания генератора электронов килоэлектронвольтного энергетического диапазона с повышенной средней мощностью в газе среднего давления. Осуществление изобретения позволит создать конструкцию ГЭП, обеспечивающую минимальные потери электронов пучка и работу в непрерывном режиме в газе среднего давления.

Это достигается тем, что катодный элемент генератора выполняется в виде охлаждаемой (например проточной водой) металлической пластины толщиной H, на одну из поверхностей которой наносится диэлектрическое покрытие толщины h со сквозным отверстием диаметра d<H. Толщина покрытия h определяется электрической стойкостью используемого покрытия и выбирается из условия h ≥ U/E_пр, где U - рабочее напряжение генератора, E_пр - пробивная напряженность электрического поля для покрытия. Диаметр отверстия d определяется допустимой величиной перегрева диэлектрического покрытия ΔT, при котором резко ухудшается его электрическая прочность (напряжение пробоя падает в два раза) и выбирается исходя из значения вкладываемой мощности P и данных о коэффициенте теплопроводности материала катодной пластины λ с помощью соотношения Для стекол и эмалей, могущих служить в качестве диэлектрического покрытия, типичные значения E_пр и ΔT лежат в области E_пр = (1.5-2)10⁶ B/см, ΔT = 50-100^oC. Типичная величина λ для стали составляет λ ≈ Вт/(К•см).

Принципиальная схема генератора представлена на чертеже, где 1 - катодная пластина, 2 - диэлектрическое покрытие, 3 - анод. Анод генератора выполняется из электропроводного материала и располагается вплотную к диэлектрическому покрытию. В аноде делается отверстие, расположенное над отверстием в диэлектрическом покрытии. Диаметр отверстия в аноде может быть больше диаметра в диэлектрическом покрытии либо равен ему (см. чертеж).

Принцип действия предлагаемого устройства состоит в следующем. При подаче напряжения от источника постоянного или импульсного униполярного тока на электроды 1, 3 происходит пробой газа между ними и зажигается тлеющий разряд. Поскольку площадь катода 1 ограничена диэлектрическим покрытием 2, увеличение тока через разряд приводит к его переходу в аномальную форму. Вследствие большой разности в подвижностях между электронами и ионами происходит накопление объемного заряда положительных ионов вблизи поверхности катода. Практически все напряжение источника питания оказывается приложенным к узкому слою катодного падения потенциала, расположенного вблизи поверхности катода. Электроны, выбиваемые из катода за счет ион-электронной, атом-электронной и фотоэмиссии, ускоряются в сильном поле катодного падения до энергии, практически равной приложенному напряжению, и инжектируются в окружающий газ.

Устройство допускает генерацию множественных и специальным образом расположенных электронных пучков при параллельном подключении к источнику нескольких разрядных ячеек, показанных на чертеже. Одновременность генерации во многих разрядных промежутках обеспечивается за счет растущей вольт-амперной характеристики аномального тлеющего разряда.

В соответствии с данным предложением создан ГЭП непрерывного действия с техническими характеристиками, приведенными в таблице.

Формула изобретения

Генератор электронного пучка, содержащий разрядную структуру, состоящую из катодного и анодного элементов, расположенных непосредственно в рабочем газе, отличающийся тем, что катодный элемент выполнен в виде охлаждаемой металлической пластины, на обращенную к аноду поверхность которой нанесено диэлектрическое покрытие толщины h со сквозным отверстием диаметра d, которые определяются из соотношений h ≥ U/E_пр, где U - рабочее напряжение генератора, E_пр - пробивная напряженность электрического поля для покрытия, d ≅ P/ΔTλ, где P - вкладываемая мощность, ΔT - допустимая величина перегрева диэлектрического покрытия, λ - коэффициент теплопроводности материала катодной пластины, а анод выполнен в виде расположенной вплотную к диэлектрическому покрытию пластины с отверстием, размещенным над отверстием в диэлектрическом покрытии.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2