Ленточный источник ускоренных электронов

Полезная модель относится к сильноточным ускорителям электронов с холодным взрывоэмиссионным катодом и может быть использована для предыонизации газа в импульсных газовых лазерах, возбуждаемых самостоятельным электрическим разрядом, для отверждения лаковых покрытий, для стерилизации медицинского инструмента. Техническим эффектом полезной модели является получение ленточного пучка ускоренных электронов с равномерным по сечению пучка распределением тока, с плотностью тока от долей до единиц А/см ² и с энергией до 150÷250 кэВ. Это достигается тем, что в ленточном источнике ускоренных электронов, содержащем вакуумную камеру с окном для вывода электронов и размещенным в ней протяженным холодным взрывоэмиссионным катодом, согласно полезной модели, дополнительно в камеру введен управляющий электрод, который расположен между анодом и взрывоэмиссионным катодом.

Полезная модель относится к сильноточным ускорителям электронов с холодным взрывоэмиссионным катодом и может быть использована для предыонизации газа в импульсных газовых лазерах, возбуждаемых самостоятельным электрическим разрядом, для отверждения лаковых покрытий, для стерилизации медицинского инструмента.

Известен мощный импульсный источник ускоренных электронов (см. Мощные наносекундные импульсные источники ускоренных электронов / под ред. Г.А.Месяца, «Наука», Новосибирск, 1974 г., 168 стр.), в котором отбор электронов производится с холодного острийного катода, работающего в режиме взрывной эмиссии электронов. Ускорение электронов осуществляется под действием высоковольтного импульса напряжения, прикладываемого к промежутку между катодом и вакуумной камерой, являющейся анодом, в которой размещен катод. Взрывоэмиссионный катод является неограниченным поставщиком электронов, ограничение тока ускоренных электронов происходит за счет собственного заряда электронов, находящихся в ускоряющем промежутке. Уменьшение тока в пучке электронов достигается путем уменьшения ускоряющего напряжения, либо путем увеличения промежутка между катодом и вакуумной камерой. Однако в этих случаях возникает нестабильность работы катода и нарастание неоднородности распределения тока по сечению пучка.

Известен источник ускоренных электронов, в котором отбор электронов производится с сетчатого катода, заполненного плазмой газового разряда низкого давления, (кн. "Источники электронов с плазменным эмиттером / под ред. Ю.Е.Крейнделя, «Наука», 1983, 120 стр."). Источник отличается высокой равномерностью распределения тока в пучке ускоренных электронов, возможностью регулирования тока в пучке в широких пределах за счет изменения тока разряда в катоде. Недостаток ленточного источника с плазмонаполненным катодом состоит в его больших габаритах. При уменьшении размеров источника возникает проблема равномерного заполнения катода плазмой разряда низкого давления.

Нами исследована работа ленточного источника ускоренных электронов с холодным взрывоэмиссионным катодом при ускоряющих напряжениях 40-60 кВ. В качестве острийного катода использовались полоски фольги из тантала толщиной 25 мкм и полоски фольгированного стеклотекстолита. Найдены режимы питания источника от генератора импульсных напряжений, при которых генерируется пучок ускоренных

электронов длительностью от 50 до 500 нс с плотностью тока 1-7 А/см² и с равномерным распределением тока в сечении, имеющем размеры до 5×100 см. Источник ускоренных электронов используется для генерации мягкого рентгеновского излучения при бомбардировке ускоренными электронами мишени, выполненной из тантала (Широкоапертурный рентгеновский источник с высокой интенсивностью и равномерностью излучения / Н.Г.Иванов, И.Н.Коновалов, В.Ф.Лосев, Ю.Н.Панченко // ПТЭ, 2007, N 1, стр.103-107). При выводе в газ электроны, ускоренные до 40-60 кэВ, испытывают большие потери энергии на разделительной фольге, закрывающей окно в источнике. Для уменьшения потерь энергии при проходе электронов через разделительную фольгу, при их транспортировке через газ для поверхностной обработки материалов, а также для более однородной предыонизации газа в активной области электроразрядных газовых лазеров, энергия ускоренных электронов должна быть равной от 150 до 250 кэВ в зависимости от условий применения.

Задачей полезной модели является создание компактного источника ленточного пучка ускоренных электронов с равномерным распределением тока по сечению пучка, с плотностью тока от долей до единиц А/см² и с энергией до 150÷250 кэВ.

Указанная задача достигается тем, что в ленточном источнике ускоренных электронов, содержащем вакуумную камеру с окном для вывода электронов и являющуюся анодом и размещенный в камере протяженный холодный взрывоэмиссионный катод, согласно полезной модели, дополнительно в камеру введен управляющий сетчатый электрод, который расположен между анодом и взрывоэмиссионным катодом.

На фиг.1 схематично представлена конструкция ленточного источника ускоренных электронов триодного типа в коаксиальном исполнении, состоящая из протяженного холодного взрывоэмиссионного катода 1, управляющего сетчатого электрода 2 и вакуумной камеры 3 со встроенным сетчатым анодом 4. Электроны эмиттируются из катода 1, ускорение электронов до энергии ˜40-60 кэВ происходит между катодом 1 и управляющим электродом 2, а ускорение электронов до более высокой энергии, 150÷250 кэВ, осуществляется между управляющим электродом 2 и сетчатым анодом 4. Ускоренные электроны, пройдя через дрейфовое пространство между анодом 4 и разделительной фольгой 5, закрывающей окно в вакуумной камере, выводятся в газ.

Пучок электронов, ускоренных до 220 кэВ, с плотностью тока 0,01-0,1 А/см² и длительностью импульса тока 5 мкс успешно применен нами в широкоапертурном электроразрядном XeCl-лазере (Влияние степени предыонизации газа на однородность горения объемного разряда и генерацию излучения в широкоапертурном XeCl-лазере /

И.Н.Коновалов, И.Н.Коваль, А.И.Суслов // Квантовая электроника, 2002, N 8, стр.663-668). Проведенные расчеты и эксперименты показывают, что аналогичный эффект воздействия на газовую среду лазера, на обрабатываемые поверхности материалов достигается при использовании электронного пучка с большей на порядок плотностью тока и соответственно меньшей длительностью импульса тока.

К достоинствам источника ускоренных электронов триодного типа с малой плотностью тока в пучке следует отнести возможность длительной работы взрывоэмиссионного катода при частоте срабатывания до 200 Гц (Источник мягкого рентгеновского излучения для электроразрядного эксимерного лазера / Е.Ф.Балбоненко, В.А.Басов, И.Н.Коновалов и др., ПТЭ, 1994, N 4, стр.112-115), а также низкая тепловая нагрузка на разделительную фольгу, закрывающую окно для вывода электронов. Перераспределением ускоряющих напряжений между электродами источника, легко обеспечиваемым со стороны генератора импульсов напряжения, возможно в достаточно широких пределах изменять ток в пучке электронов без изменения геометрических характеристик источника.

Ленточный источник ускоренных электронов, содержащий вакуумную камеру с окном для вывода электронов и размещенный в камере протяженный холодный взрывоэмиссионный катод, отличающийся тем, что дополнительно в камеру введен сетчатый управляющий электрод.