Газоразрядный электронный источник

Заявляемое техническое решение относится к области плазменной техники, может быть применено при разработке электронно-лучевых устройств и использовано в электронно-лучевой технологии, экспериментальной физике, плазмохимической технологии. Сущность технического решения заключается в том, что в известном источнике, содержащем цилиндрический полый катод, плоский анод с окном, перекрытым сеткой, диэлектрический диск с отверстием, ускоряющий электрод, на аноде размещают металлическую насадку в виде усеченной конической поверхности. Размещение на аноде металлической насадки позволяет достичь поставленной цели - повышения предельного давления, при котором источник еще сохраняет работоспособность. Сущность технического решения иллюстрируется чертежом (Фиг.1). На фиг.2, 3 для сравнения показаны вольтамперные характеристики источника, взятого за прототип, и источника, конструкция которого соответствует настоящему техническому решению. Эти характеристики наглядно демонстрируют положительный эффект от размещения на аноде конической насадки. Источник, соответствующий прототипу, сохраняет работоспособность в атмосфере воздуха до давлений 13 Па, а источник, содержащий анодную насадку в соответствии с настоящей заявкой, способен работать до давлений 30 Па.

Заявляемое техническое решение относится к области плазменной техники и может быть применено при разработке электронно-лучевых устройств и использовано 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 Па. Инициирование разряда при подаче напряжения между полым катодом и анодом обеспечивается перепадом давления в эмиссионном отверстии за счет напуска газа в катодную полость. Недостатком данного устройства является невозможность работы при более высоких давлениях газа. При повышении давления до уровня 1 Па и более указанный источник оказывается неработоспособным из-за возникновения низковольтного разряда между электродами ускоряющего промежутка. Этот разряд вызывает резкое падение напряжения и рост тока нагрузки выпрямителя, питающего ускоряющий промежуток. Указанные эффекты сопровождаются исчезновением пучка.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению 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 электронные пучки круглого сечения при давлении в вакуумной камере не более 13 Па. Недостаток данного технического решения состоит в неспособности генерировать электронный пучок при более высоких давлениях. Повышение давления газа свыше указанного уровня 13 Па неизменно вызывает пробой ускоряющего промежутка, сопровождающийся падением напряжения и исчезновением пучка.

Цель заявляемого технического решения состоит в повышении предельного давления, при котором источник еще сохраняет работоспособность. Поставленная цель достигается тем, что в известном плазменном электронном источнике, содержащем цилиндрический полый катод, анод с окном, перекрытым сеткой, являющейся эмиссионным электродом, диск из термостойкого неорганического диэлектрика и ускоряющий электрод, на аноде размещают металлическую насадку в виде усеченной конической поверхности, обращенной к аноду расширенной частью. Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является повышение предельного рабочего давления.

Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежом, представленным на Фиг.1. Катод 1 содержит цилиндрическую полость 25 мм и высотой 70 мм. Анод 2 представляет собой диск с окном диаметром 10 мм, перекрытым сеткой 3 с ячейкой 0,3×0,3 мм² и геометрической прозрачностью 60%. Ускоряющий электрод 4 закреплен на фланце 5. Все детали изготовлены из нержавеющей стали. Керамический диск 6 с отверстием для прохождения пучка размещен между анодом 2 и ускоряющим электродом 4. Электрическое разделение электродов обеспечивается изоляторами 7.

Новым элементом по сравнению с прототипом является коническая насадка 8, которая обращена к аноду 2 своей расширенной стороной.

Источник работает следующим образом. По достижении в вакуумной камере давления 5-30 Па к ускоряющему промежутку прикладывают постоянное напряжение 5-15 кВ. После этого на разрядный промежуток подают постоянное напряжение, постепенно увеличивая его до появления разрядного тока. Обычно для этого достаточно напряжения 300-500 В. Наличие разрядного тока означает существование плазмы, из которой под действием ускоряющего напряжения происходит извлечение электронов и формирование электронного пучка. Размещение конической насадки на аноде позволяет повысить предельное рабочее давление источника электронов свыше 13 Па.

Графики, представленные на фиг.2, 3 иллюстрируют полезный эффект, присущий заявляемому техническому решению. Как следует из Фиг.2, источник, взятый за прототип, оказывается работоспособным при давлении 10 Па и неработоспособным при 20 Па. Заявляемый источник сохраняет работоспособность и при давлении 30 Па.

Предлагаемый электронный источник позволяет получать цилиндрический электронный пучок в области давлений до 30 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 и сварки как проводящих, так и непроводящих материалов, а также для испарения металлов в окислительной среде для осаждения окисных слоев.

Газоразрядный электронный источник, включающий в себя цилиндрический полый катод, плоский анод с окном, перекрытым сеткой, диэлектрический диск с отверстием, ускоряющий электрод, отличающийся тем, что на аноде размещена металлическая насадка в виде усеченной конической поверхности, обращенной к аноду расширенной частью.