Ускоряющий промежуток импульсного форвакуумного источника электронов на основе дугового разряда

Авторы патента:

Медовник Александр Владимирович (RU)

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 (I_d)	до 40 А	до 100 А
Ускоряющее напряжение (U_a)	до 10 кВ	до 10 кВ
Ток эмиссии (I_e)	до 30 А	до 90 А
Ток пучка (I_b)	до 25 А	до 65 А
Длительность импульсов тока пучка (τ_d)	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.

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.

Система и способ генерирования плазмы и поддержания магнитного поля плазмы // 2757930

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

Электронно-управляемый плазменный электрический генератор // 2757666

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.

Способ управления холодной плазмой посредством микрорельефа на твёрдом диэлектрике // 2757458

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

Способ получения низкотемпературной плазмы и горячего газа для физико-химического воздействия на вещества и установка для получения низкотемпературной плазмы и горячего газа для физико-химического воздействия на вещества (варианты) // 2757377

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. В группе изобретений предлагается способ и два варианта установки для получения низкотемпературной плазмы горячего и газа для физико-химического воздействия на вещества, в которых через электроды, имеющие внутренние полости элементы из пористых материалов на выходе из полостей, подают в смесительную камеру водные растворы электролитов.

Волновой плазменный источник электронов // 2757210

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. Технический результат - обеспечение возможности использования широкого круга рабочих тел, обеспечение возможности мгновенного выхода на номинальный режим работы источника электронов; обеспечение стабильного режима работы при низких мощностях; увеличение извлекаемого электронного тока за счет улучшения механизма поглощения мощности высокочастотного электромагнитного поля плазмой; увеличение ресурса работы.

Устройство для получения мелкодисперсного порошка // 2756959

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.

Устройство для создания устойчивого биполярного коронного разряда // 2756684

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.

Способ определения характеристик поверхностных электромагнитных волн в плазменных образованиях конечной длины // 2756460

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). Техническим результатом является повышение точности определения характеристик поверхностных электромагнитных волн при проектировании ПА.

Плазмотрон // 2754817

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.

Завихритель и контактный элемент для картриджа плазменно-дуговой горелки // 2760973

Изобретение относится к области плазменной техники. Технический результат – повышение надежности работы плазменно-дуговой горелки. Каркас картриджа для плазменно-дуговой горелки содержит корпус, выполненный с возможностью по меньшей мере частичного окружения электрода плазменно-дуговой горелки и контактного взаимодействия с ним при скольжении. Корпус включает в себя первый конец и второй конец, противоположный первому концу, при этом первый и второй концы определяют продольную ось, и содержит по меньшей мере один выступ, продолжающийся от второго конца в направлении продольной оси. Упомянутый по меньшей мере один выступ выполнен с возможностью контактного взаимодействия с выключателем плазменно-дуговой горелки для восприятия присутствия завихрителя в плазменно-дуговой горелке. В некоторых вариантах осуществления в пределах корпуса завихрителя как единое целое с ним выполнен набор формованных завихрительных отверстий. 4 н. и 19 з.п. ф-лы, 8 ил.