Ускоряющий промежуток импульсного форвакуумного источника электронов на основе дугового разряда



Ускоряющий промежуток импульсного форвакуумного источника электронов на основе дугового разряда
Ускоряющий промежуток импульсного форвакуумного источника электронов на основе дугового разряда
H05H1/24 - Плазменная техника (термоядерные реакторы G21B; ионно-лучевые трубки H01J 27/00; магнитогидродинамические генераторы H02K 44/08; получение рентгеновского излучения с формированием плазмы H05G 2/00); получение или ускорение электрически заряженных частиц или нейтронов (получение нейтронов от радиоактивных источников G21, например G21B,G21C, G21G); получение или ускорение пучков нейтральных молекул или атомов (атомные часы G04F 5/14; устройства со стимулированным излучением H01S; регулирование частоты путем сравнения с эталонной частотой, определяемой энергетическими уровнями молекул, атомов или субатомных частиц H03L 7/26)

Владельцы патента RU 2758497:

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники» (RU)

Устройство относится к области плазменной техники и может быть применено при разработке электронно-лучевых устройств, а также использовано в электронно-лучевой технологии, экспериментальной физике, плазмохимической технологии. Технический результат - уменьшение теплопередачи от плоского анода к высоковольтному изолятору. Ускоряющий промежуток импульсного форвакуумного источника электронов на основе дугового разряда включает плоский анод и ускоряющий электрод, которые разделены высоковольтным изолятором. Плоский анод состоит из сетки, натянутой с помощью колец, которые крепятся к основанию анода. В области контакта колец анода с выступом высоковольтного изолятора выполнено углубление в 1 мм и протяженностью 13 мм. 1 табл., 1 ил.

 

Устройство относится к области плазменной техники и может быть применено при разработке электронно-лучевых устройств, а также использовано в электроннолучевой технологии, экспериментальной физике, плазмохимической технологии.

Известно устройство, описанное в (патент РФ №2215383), предназначенное для генерации непрерывного электронного пучка, основанное на эмиссии электронов из газоразрядной плазмы. Устройство включает в себя полый катод, анод, ускоряющий электрод с отверстием в центре для формирования электронного пучка, изоляторы, размещенные на фланце, при этом эмиссионное отверстие перекрыто мелкоструктурной металлической сеткой. Между анодом и ускоряющим электродом помещен диск из термостойкого неорганического диэлектрика с отверстием в его центральной части. Это позволило повысить рабочее давление при сохранении электрической прочности ускоряющего промежутка. В этом устройстве плазма формируется тлеющим разрядом в полом катоде. При этом максимальный ток пучка ограничен током тлеющего разряда, так как с ростом тока тлеющий разряд переходит в дуговой. А также из-за особенностей тлеющего разряда сложно формировать пучок с большим током и большого сечения (более 10 см2).

В работах E. Oks, V. Burdovitsina, A. Medovnik, and Yu. Yushkov / Plasma electron source for the generation of wide-aperture pulsed beam at forevacuum pressures // Review of Scientific Instruments. - 2013. - V. 84. P. 023301, https://doi.org/10.1063/1.4789771; Ю.Г. Юшков, В.А. Бурдовицин, А.В. Медовник, Е.М. Окс / Форвакуумный плазменный источник импульсных электронных пучков. // Приборы и техника эксперимента. - 2011. - № 2. - С. 85-88 и патент №107657 на полезную модель описан форвакуумный плазменный электронный источник на основе импульсного тлеющего разряда. Данный источник способен работать в диапазоне давлений 5-15 Па. Однако, использование тлеющего разряда накладывает ограничение на ток пучка, он не может превышать 100 А, и на длительность импульса, она не может быть более 250 мкс. Связано это с возможностью неконтролируемого перехода тлеющего разряда в дуговую форму и последующим шнурованием (контракцией) разряда, что приводит в итоге к пробою ускоряющего промежутка.

Наиболее близким аналогом является статья A.V. Kazakov, A.V. Medovnik, E.M. Oks / Generation of Millisecond Low-Energy Large-Radius Electron Beam by a Forevacuum Plasma-Cathode Source // IEEE Transactions on Plasma Science, 2019, Vol. 47, No. 8, P. 3579-3585. Ускоряющий промежуток данного источника плазмы включает в себя: полую часть анода и плоскую часть анода, которые разделены электрическим изолятором. Полая часть анода представляет собой медный цилиндр диаметром 100 мм и высотой 90 мм. В плоской части анода из нержавеющей стали, есть эмиссионное окно диаметром 90 мм, закрытое мелкоструктурной сеткой из нержавеющей стали (размер ячейки 0,3×0,3 мм2), и эта сетка также выполняет функцию эмиссионного электрода. Эмиссионный сетчатый электрод и ускоряющий сетчатый электрод (размер ячейки 0,2×0,2 мм2) образуют ускоряющий промежуток источника. Электроды ускоряющего промежутка электрически изолированы высоковольтным изолятором. Изолятор сложной формы выполнен из капролона. Генерация электронного пучка в форвакуумном диапазоне давлений сопровождается формированием в ускоряющем промежутке и области транспортировки пучка обратного ионного потока, величина которого может достигать 10-15% от тока электронного пучка. Несмотря на то, что внутренний диаметр изолятора превышает диаметр эмиссионной апертуры, ионы обратного потока, вследствие рассеяния на рабочем газе могут попадать на поверхность высоковольтного изолятора и приводить к его локальной зарядке и, соответственно, к локальному усилению напряженности электрического поля. При более длинном импульсе тока увеличивается и время бомбардировки изолятора ионами обратного потока, что приводит к росту вероятности пробоя ускоряющего промежутка. Так же рост длительности импульса и/или тока пучка приводит к нагреву сетчатого эмиссионного электрода, что может вызвать деформацию высоковольтного изолятора. Поэтому длительность импульса данного источника электронов не превышает 10 мс, а ток эмиссии 30 А.

Для устранения недостатков разработано техническое решение со следующим техническим результатом:

Уменьшение теплопередачи от наиболее нагретой части плоского анода к высоковольтному изолятору, за счет изменения конструкции выступа высоковольтного изолятора (фиг. 1).

Техническое решение обеспечило значительно меньший нагрев высоковольтного изолятора, что существенно снизило выделение газа с поверхности высоковольтного изолятора в результате его нагрева и исключило возможность его температурной деформации. Уменьшение продуктов газовыделения в ускоряющем промежутке заметно снизило количество пробоев ускоряющего промежутка (не более 2 пробоев на 1000 импульсов).

В результате вышеописанных изменений увеличилась предельная энергия в одном импульсе и предельная средняя мощность (таблица 1).

Таблица 1 - параметры прототипа и модели

Вариант установки Прототип Предлагаемое техническое решение
Ток разряда (Id) до 40 А до 100 А
Ускоряющее напряжение (Ua) до 10 кВ до 10 кВ
Ток эмиссии (Ie) до 30 А до 90 А
Ток пучка (Ib) до 25 А до 65 А
Длительность импульсов тока пучка (τd) 0,05-10 мс 0.05-20 мс
Энергия пучка в импульсе до 2000 Дж до 3300 Дж
Рабочие диапазоны давлений 3-30 Па 3-30 Па

Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежом, представленным на фиг. 1. конструкции ускоряющего промежутка импульсного форвакуумного источника электронов на основе дугового разряда. Ускоряющий промежуток источника образован двумя электродами: плоским анодом 1 и ускоряющим электродом (экстрактором) 2. Электроды укоряющего промежутка разделены высоковольтным изолятором 3, изготовленным из капролона. Экстрактор 1 состоит из кольца 4 (внешний и внутренний диаметры 128 мм и 114 мм соответственно), выполненного из нержавеющей стали толщиной 5 мм, и сетки 5 из нержавеющей стали, размером 2,5×2,5 мм2. С помощью стоек 6 кольцо экстрактора 4 крепится к основанию электронного источника 7. Плоский анод 1 состоит из сетки 8 натянутой с помощью колец 9, которые крепятся к основанию 10 плоского анода 1. Основное отличие от прототипа заключается в изменении конструкции внутренней части высоковольтного изолятора 3. В области контакта колец 9 с выступом высоковольтного изолятора 3 сделано углубление 11 глубиной 1 мм и протяженностью 13 мм. Данное решение снизило площадь контакта высоковольтного изолятора с горячей областью плоского анода, что обеспечило уменьшение нагрева данного изолятора и существенно снизило выделение газа с его поверхности в результате нагрева и исключило возможность его температурной деформации.

Ускоряющий промежуток импульсного форвакуумного источника электронов на основе дугового разряда работает следующим образом. По достижении в вакуумной камере давления 3-30 Па при подаче разрядного напряжения в плазменном эмиттере электронного источника зажигается дуговой разряд с катодным пятном и вблизи эмиссионного окна плоского анода формируется плазма. При приложении напряжения между плоским анодом 1 и экстрактором 2 электронного источника происходит эмиссия электронов из плазменного эмиттера и формирование электронного пучка. Процессы генерации пучка сопровождаются нагревом различных частей источника электронов, в том числе и плоского анода 1. За счет изменения формы высоковольтного изолятора 3 удалось значительно уменьшить его нагрев, что привело к отсутствию его деформации и газовыделению с поверхности, и как следствие уменьшению количества пробоев ускоряющего промежутка (пробой ускоряющего промежутка является не рабочим режимом функционирования источника электронов).

Ускоряющий промежуток импульсного форвакуумного источника электронов на основе дугового разряда, включающий плоский анод и ускоряющий электрод, которые разделены высоковольтным изолятором, ускоряющий электрод состоит из кольца и сетки, кольцо ускоряющего электрода крепится к основанию электронного источника, плоский анод состоит из сетки, натянутой с помощью колец, которые крепятся к основанию анода, отличающийся тем, что в области контакта колец анода с выступом высоковольтного изолятора выполнено углубление в 1 мм и протяженностью 13 мм.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области плазменной техники. Устройство для генерации сильнонеравновесной низкотемпературной плазмы импульсных газовых разрядов при атмосферном и пониженном давлении содержит твердотельный импульсный генератор с датчиком тока, разрядный колебательный контур, получающий энергию от указанного генератора, а также управляющее компьютерное устройство для регулирования ввода энергии в разрядный контур в виде коротких импульсов путем независимой и динамической регулировки частоты и скважности подачи силовых импульсов на нагрузку через контур ударного возбуждения на основании данных, полученных по обратной связи от указанных датчиков тока.

Изобретение относится к области плазменной техники. Технический результат – повышение надежности работы системы и генерирование плазмы с высокой плотностью энергии.

Изобретение может быть применено в производстве стационарных и мобильных модулей плазменных электрических генераторов электрической и тепловой энергии. Технический результат - модульность и компактность исполнения, возможность объединения отдельных генераторов в синхронно работающем моноблоке, управление генератором на аппаратно-программном уровне.

Изобретение относится к плазменной технике, к разделу способов управления плазмой. Технический результат – обеспечение возможности повышения точности управления потоками плазмы.

Группа изобретений относится к области плазмохимии, а именно к способам получения низкотемпературной плазмы и горячего газа для физико-химического воздействия на вещества и установкам для его осуществления.

Изобретение относится к космической технике, в частности к катодам-компенсаторам электрических ракетных двигателей (ЭРД) электростатического типа ускорения (Холловского и ионного типа), в частности к безэлектродным плазменным источникам электронов с волновым источником плазмы.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к оборудованию для плазменного получения металлических порошков. Устройство содержит катодный электрод возбуждения дуги, анодный электрод, блок управления, электрически соединенные с упомянутым блоком управления устройство для подачи расходуемого материала в виде проволоки в зону плазменного распыления и электрическую схему для возбуждения и питания электрической дуги.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к устройствам для получения коронного разряда. Технический результат - повышение устойчивости биполярного разряда, повышение тока разряда, совмещение функций вентилятора и получения биполярного разряда в одном устройстве позволяет изготавливать мощные и компактные устройства для получения неравновесной плазмы, достигается тем, что в устройстве для получения коронного разряда, содержащем основные разнополярные электроды, подключенные к источнику высоковольтного питания, и вспомогательный электрод, с целью повышения тока и устойчивости коронного разряда изолированный вспомогательный коронирующий электрод выполнен в виде лопастей вентилятора, лопасти вспомогательного электрода вращаются для образования биполярного коронного разряда в зазоре между вспомогательным электродом и разнополярными электродами, выполненными в виде двух половин боковой поверхности цилиндра с изолирующей прокладкой между ними, а вал вращения вспомогательного коронирующего электрода установлен коаксиально по отношению к цилиндру, образованному разнополярными электродами.

Заявленный способ относится к радиотехнике с эксплуатацией особенностей плазмы в конденсированных средах и может быть использован для проектирования устройств радиотехники, включая передающие и приемные плазменные антенны (ПА).

Изобретение относится к плазмотрону и может быть использовано в различных отраслях промышленности для механизированной и ручной плазменной резки металла. Плазмотрон содержит стационарную часть (1) с распределителем (2), каналом (3) для подачи и каналом (4) для отвода охлаждающей среды и каналом (5) для подачи плазмообразующего газа.

Устройство относится к области плазменной техники и может быть применено при разработке электронно-лучевых устройств, а также использовано в электронно-лучевой технологии, экспериментальной физике, плазмохимической технологии. Технический результат - уменьшение теплопередачи от плоского анода к высоковольтному изолятору. Ускоряющий промежуток импульсного форвакуумного источника электронов на основе дугового разряда включает плоский анод и ускоряющий электрод, которые разделены высоковольтным изолятором. Плоский анод состоит из сетки, натянутой с помощью колец, которые крепятся к основанию анода. В области контакта колец анода с выступом высоковольтного изолятора выполнено углубление в 1 мм и протяженностью 13 мм. 1 табл., 1 ил.

Наверх