Форвакуумный плазменный электронный источник

Полезная модель относится к области плазменной техники и может быть применена при разработке электронно-лучевых устройств и использована в электронно-лучевой технологии, экспериментальной физике, плазмохимической технологии. Сущность полезной модели заключается в том, что в известном источнике, содержащем полый катод, сеточные анод и ускоряющий электрод, на стенке полого катода, противоположной его апертуре, размещен металлический цилиндр, диаметр d и длина l которого связаны с диаметром D глубиной L катодной полости и . Размещение в полом катоде металлического цилиндра с указанными размерами позволяет достичь цели изобретения - увеличения площади поперечного сечения электронного пучка при обеспечении однородного распределения плотности тока по сечению. Сущность полезной модели иллюстрируется чертежом (см. Фиг.1). Фиг.2 показывает эффект получения равномерного распределения плотности тока в электронном пучке при использовании цилиндра указанных выше размеров.

Полезная модель относится к области плазменной техники и может быть применена при разработке электронно-лучевых устройств и использована в электронно-лучевой технологии, экспериментальной физике, плазмохимической технологии.

Известны устройства, предназначенные для генерации электронных пучков путем эмиссии электронов из газоразрядной плазмы (а/с СССР 835264, 1455928). В этих устройствах плазма создается путем инициирования разряда в газе. Разряд, т.е. ток в газе, поддерживается напряжением, прикладываемым между электродами разрядной системы. Плазменная эмиссионная граница создается в пределах отверстия, выполняемого в одном из электродов разрядной системы. В электронном источнике с плазменным катодом (а/с СССР 1455928), включающем полый катод, цилиндрический анод, плоский катод-отражатель, расположенный напротив полого катода, фокусирующую систему, эмиссионное отверстие устроено в центре плоского катода-отражателя. Ускоряющее напряжение прикладывается между катодом-отражателем и ускоряющим электродом-экстрактором. Указанная электронная пушка позволяет получать остросфокусированный пучок электронов с энергией 20-40 кэВ при давлении газа в ускоряющем промежутке 1,3*10^-3 Па÷1,3*10^-2 Пa. Инициирование разряда при подаче напряжения между полым катодом и анодом обеспечивается перепадом давления в эмиссионном отверстии за счет напуска газа в катодную полость. При генерации пучков электронов в таком электронном источнике распределение плотности тока по сечению электронного пучка всегда имеет максимум на оси, поскольку концентрация плазмы в разрядной системе на оси максимальная. Изменение конфигурации электродов ускоряющей системы не позволяет добиться получения равномерного по сечению пучка распределения плотности тока. Кроме того, указанный источник оказывается неработоспособным в области форвакуумных давлений, т.е. в диапазоне 5-20 Па.

Наиболее близким по технической сущности к предполагаемому изобретению является плазменный электронный источник (патент России 2215383), содержащий полый катод, анод с эмиссионным отверстием, ускоряющий электрод, диск из термостойкого неорганического диэлектрика. Указанный источник позволяет получать в форвакууме электронные пучки сечением не более 1 см² в отсутствие напуска газа в катодную полость. Однако и в данном источнике распределение плотности тока по сечению электронного пучка - неоднородное, что обусловлено большей концентрацией плазмы на оси катодной полости при горении разряда и соответственно более высокой плотностью тока на оси пучка.

Целью настоящего полезной модели является увеличение площади поперечного сечения электронного пучка при обеспечении однородного распределения плотности тока по сечению. Поставленная цель достигается тем, что в известном форвакуумном источнике, содержащем цилиндрический полый катод, сеточный анод и сеточный ускоряющий электрод, на стенке полого катода, противоположной его апертуре, аксиально симметрично размещают металлический цилиндр. Диаметр цилиндра d и его длина l связаны с диаметром D глубиной L полого катода соотношениями и . Размещение цилиндра таких размеров изменяет характер радиального распределения плотности плазмы в вблизи сеточного анода, что в свою очередь обеспечивает выравнивание распределения плотности тока по сечению извлеченного из источника широкоапертурного электронного пучка. Указанные соотношения важны для достижения цели изобретения. Если d и l металлического цилиндра меньше D/5 и L/2, соответственно, то радиальное распределение плотности тока в пучке имеет максимум на оси. Наоборот, при условии и распределение плотности тока по диаметру пучка приобретает вид двугорбой кривой. Т.е. на оси пучка имеет место минимум плотности тока.

Схема предлагаемого источника электронов представлена на Фиг.1. Выполненный из меди катод 1 содержит цилиндрическую полость ø 93 мм и высотой 70 мм. Сеточный анод 3 выполнен в виде двух наложенных друг на друга сеток из нержавеющей стали, размер ячейки сетки каждой из которых 0,3×0,3 мм, а геометрическая прозрачность 60%. Сеточный анод 3 закреплен на фланце 4. Собранный узел полого катода установлен на изоляторе 5. Плоскопараллельный ускоряющий промежуток образован двумя сетчатыми электродами: анодом 3 и экстрактором 6. Расстояние между этими электродами во всех экспериментах оставалось неизменным и составляло 25 мм. Сетка экстрактора 6 (2.5×2.5 мм, 70%) также изготовлена из нержавеющей стали. Изоляторы 5 и 7 разрядного и высоковольтного промежутков выполнены из капролона. Диаметр и высота изоляторов равны соответственно 100 и 70 мм для разрядного и 146 и 40 мм для ускоряющего промежутков.

Новым элементом по сравнению с прототипом является медный цилиндр 2 диаметром 19 мм и длиной 50 мм, размещенный на стенке 1 полого катода.

Источник работает следующим образом. По достижении в вакуумной камере давления 5-10 Па к ускоряющему промежутку прикладывают постоянное напряжение 5-15 кВ. После этого на разрядный промежуток подают импульсы напряжения амплитудой 4 кВ и длительностью 200 мкс. Формирующаяся в полом катоде плазма становится источником электронов, которые извлекаются из плазмы через сетчатый анод, ускоряются постоянным напряжением и формируются в пучок. Размещение в катодной полости металлического цилиндра позволяет выровнять радиальное распределение плотности плазмы вблизи сетчатого анода. Это обеспечивает получение равномерного распределения плотности тока по сечению электронного пучка, как это следует из результатов, представленных на Фиг.2, если диаметр цилиндра d и его длина l связаны с диаметром D и глубиной L полого катода соотношениями и .

Предлагаемый электронный источник позволяет получать однородный по сечению электронный пучок в области давлений до 10 Па при ускоряющем напряжении не меньшем, чем у наиболее близкого аналога, что расширяет возможные области применения электронных пучков в технологии обработки материалов. В частности, предлагаемый источник может быть использован для электронно-лучевого нагрева, плавления или испарения поверхности как проводящего, так непроводящего материала.

Форвакуумный плазменный электронный источник, включающий в себя цилиндрический полый катод, плоский анод с отверстием, перекрытым сеткой, ускоряющий электрод, отличающийся тем, что на стенке полого катода, противоположной его апертуре, аксиально симметрично размещают металлический цилиндр, диаметр d и длина l которого связаны с диаметром D и глубиной L полого катода соотношениями

и .