Взрывоэмиссионный катод сильноточного ускорителя электронов

Применение: ускорительная техника, может быть использован при разработке сильноточных ускорителей и мощных генераторов СВЧ-излучения на их основе для целей радиолокации, накачки рабочих сред газовых лазеров и т.д. Сущность: применение в качестве взрывоэмиссионного катода открытопористого материала на основе стеклоуглерода. Технический результат: повышение стабильности амплитуды и равномерности распределения тока электронного пучка по площади катода.

Предлагаемое устройство относится к сильноточной импульсной технике и может быть использовано при создании ускорителей электронов, источников мощных рентгеновских и СВЧ-импульсов.

Известны сильноточные ускорители, в которых источником электронов являются различные металлы, такие как медь, вольфрам, молибден: (1. Мощные наносекундные импульсы рентгеновского излучения /Г.А.Месяц, С.А.Иванов, Н.И.Комяк, Е.А.Пеликс//Москва, Энергоатомиздат, 1983, стр.68; 2. Интенсивные электронные пучки/ Е.А.Абрамян, Б.А.Альтеркоп, Г.Д.Кулешов// Москва, Энергоатомиздат, 1984, стр.9, 186).

Известны также мощные генераторы СВЧ-излучения, в ускорителях электронов которых в качестве материалов для выполнения взрывоэмиссионных катодов используют углеродсодержащие материалы. (3. Теоретические и экспериментальные исследования СВЧ-приборов с виртуальным катодом / В.Д.Селемир, Б.В.Алехин, В.Е.Ватрунин и др. // Физика плазмы, 1994, том 20, №7, 8 стр.689-708; 4. Experimental study of virtual cathode oscillator in uniform magnetic field / K.G.Kostov, N.A.Nikolov at. al. // Appl. Phys. Lett. 60 (21), 1992, p.2548.)

В основе генерации сильноточных высокоэнергетичных электронных пучков лежит явление взрывной электронной эмиссии. Суть этого явления заключается в том, что при приложении к анод-катодному промежутку ускорителя электрического поля с напряженностью более 200-300 кВ/см происходит разогрев и взрыв микронеоднородностей на поверхности катода. Образующаяся при микровзрывах плазма и служит источником электронов в сильноточных ускорителях. Образующиеся после микровзрывов микрократеры на поверхности катода в дальнейшем служат эмиссионными

центрами. Следует отметить, что реализуемые на основе взрывной эмиссии уровни плотности тока могут составлять более 10⁹ А/см², что недостижимо при других видах электронной эмиссии: термоэлектронной и автоэмиссии. Опыт многолетних исследований и эксплуатации ускорителей показал, что металлические катоды (нержавеющая сталь, вольфрам, молибден и др.) в основном используются в виде острий т.е. когда эмитирующей поверхностью является либо острие (или их набор), либо лезвий.

При необходимости формирования электронных пучков с большой площадью применяются, как правило, катоды на основе углеродсодержащих материалов. Недостатками таких традиционных катодов, работающих в составе сильноточных ускорителей в импульсно-периодическом режиме, является нестабильность эмиссии от импульса к импульсу и неравномерность распределения ее по площади катода. Это обусловлено как негативным влиянием на эмиссионную способность продуктов распыления пучком анода и вакуумной камеры, так и принципиальными причинами, связанными с механизмом генерации пучка при взрывной эмиссии за счет образования новых эмиссионных центров в предыдущих импульсах.

За прототип выбран сильноточный взрывоэмиссионный катод ускорителя электронов, входящий в состав мощного СВЧ-генератора. (Теоретические и экспериментальные исследования СВЧ-приборов с виртуальным катодом / В.Д.Селемир, Б.В.Алехин, В.Е.Ватрунин и др. // Физика плазмы, 1994, том 20, №7, 8 стр.689-708).

В ускорителе прототипа в качестве источника электронов применен взрывоэмиссионный катод в виде плоского диска диаметром 20...40 мм из углеродсодержащего материала, электрически связанный с источником питания. Структура поверхности катода прототипа представляет собой совокупность спрессованных между собой мелкодисперсных частиц графита.

Недостатком данной конструкции является невозможность обеспечить требующуюся стабильность тока электронов и равномерность их эмиссии по площади катода. Следует отметить, что эмиссионные центры в данном

случае формируются в процессе работы катода. Как следствие, в устройствах на основе ускорителей, выполненных по схеме прототипа, например, в мощных СВЧ-генераторах, рентгеновских аппаратах, лазерах с пучковым возбуждением активной среды наблюдается нестабильность выходных характеристик от импульса к импульсу.

Известно, что взрывоэмиссионные катоды в мощных ускорителях формируют сильноточные электронные пучки. При бомбардировке ими поверхностей анода и вакуумной камеры образуется высокотемпературная плазма, ионы которой, оседая на поверхности катода, загрязняют ее, существенно ухудшая, таким образом, эмиссионную способность. В результате наблюдается нестабильность амплитуды тока электронного пучка и растет неоднородность эмиссии электронов по площади катода. Эти процессы с неизбежностью ведут к снижению параметров устройств, в которых используются электронные ускорители.

Задача состоит в совершенствовании катодного узла сильноточного ускорителя электронов.

Технический результат заключается в повышении стабильности амплитуды и равномерности распределения тока электронного пучка по площади катода.

Технический результат достигается тем, что, в отличие от известного взрывоэмиссионного катода, выполненного из углеродсодержащего материала и электрически связанного с источником питания, в предлагаемом устройстве в качестве материала для выполнения катода использован открытопористый стеклоуглеродный материал.

Структура предлагаемого для использования материала представляет собой совокупность открытых пор, разделенных стеклоуглеродными перегородками, обращенными торцами к поверхности. Особенности при использовании данного материала в качестве материала взрывоэмиссионного катода перед материалом прототипа заключаются в том, что поверхность открытопористого стеклоуглеродного материала резко неоднородна и

содержит множество тонких углеродных перегородок, обращенных торцами к поверхности. Естественно предположить, что они могут при подключении катода к источнику питания играть роль эмиссионных центров и нет необходимости формировать их в процессе предыдущих импульсов. Причем эти центры распределены по площади катода достаточно равномерно. Высокая пористость предлагаемого материала позволяет эффективно поглощать продукты распыления анода и стенок вакуумной камеры без ухудшения эмиссионных свойств катода в процессе работы.

Таким образом, особенность свойств открытопористого стеклоуглеродного материала позволяет предположить возможность использования его в качестве материала катода с точки зрения формирования катодом стабильного по амплитуде и равномерного распределения тока электронного пучка по площади катода.

На фиг.1 представлена фотография поверхности данного материала, выполненная с помощью электронного микроскопа.

На фиг.2 изображена схема СВЧ-генератора на основе сильноточного ускорителя электронов с взрывоэмиссионным катодом, выполненным из открытопористого стеклоуглеродного материала

где:

1 - источник питания;

2 - взрывоэмиссионный катод из открытопористого стеклоуглеродного материала;

3 - анод в виде сетки;

4 - параболическая камера дрейфа;

5 - выходное окно.

На фиг.3 представлены осциллограммы токов электронов ускорителя (верхний луч) и СВЧ-импульсов (нижний луч) СВЧ-генератора с взрывоэмиссионным катодом из реакторного графита.

На фиг.4 представлены осциллограммы токов электронов ускорителя (верхний луч) и СВЧ-импульсов (нижний луч) СВЧ-генератора с

взрывоэмиссионным катодом из открытопористого стеклоуглеродного материала.

Для проверки возможности применения открытопористого стеклоуглеродного материала в качестве материала для выполнения взрывоэмиссионного катода были проведены сравнительные эксперименты на СВЧ-генераторе (см. фиг.2), в состав которого входит источник питания 1, электрически связанный с плоским катодом 2 и анодом в виде сетки 3 ускорителя электронов, параболическая камера дрейфа 4 и выходное окно 5 для вывода излучения в атмосферу. Контрольным образцом материала катода служил широко применяемый в ускорительной технике мелкодисперсный реакторный графит. В качестве материала для выполнения катода по заявляемому образцу был, например, использован открытопористый стеклоуглеродный материал, полученный по технологии, предложенной в патенте №2116279 от 27.07.98 г. Данный способ получения открытопористого стеклоуглеродного материала за счет подбора фракционного состава порообразователя позволяет регулировать размер пор в диапазоне от 10 до 100 мкм.

Генератор СВЧ-излучения работает следующим образом. Импульс высокого напряжения отрицательной полярности от источника питания 1, выполненного в виде ГИН, прикладывается к катоду 2. Анод в виде сетки 3, параболическая камера дрейфа 4 электрически соединены друг с другом, заземлены и соединены с положительным полюсом источника питания. В результате взрывной эмиссии с поверхности катода формируется электронный пучок, который, ускоряясь, проходит сквозь анод и образует в камере дрейфа виртуальный катод. Захваченные в потенциальную яму между реальным и виртуальным катодом электроны совершают колебательное движение и излучают электромагнитную волну, которая покидает систему через выходное окно 5.

В ходе этих экспериментов регистрировался общий ток электронов с катода ускорителя и стабильность его амплитуды от импульса к импульсу.

Отметим, что характеристики выходного импульса СВЧ-излучения служат характеристикой работы катода как с точки зрения амплитуды тока, так и равномерности его распределения по площади. Для контроля за равномерностью эмиссии по площади дополнительно использовался метод регистрации с помощью камеры-обскуры рентгеновского излучения, возникающего при торможении электронного пучка в анодной фольге. Эксперименты были проведены для обоих типов катодов: из реакторного графита и из открытопористого стеклоуглеродного материала с размерами пор порядка 20 мкм и пористостью на уровне 0,6 м²/г. Выполненные исследования показали, что замена реакторного графита на открытопористый стеклоуглеродный материал позволила повысить стабильность амплитуды тока электронного пучка и равномерность эмиссии его по площади катода.

Результаты экспериментов показали, что, с точки зрения выходных параметров СВЧ-генератора катод из открытопористого стеклоуглеродного материала позволил повысить энергию генерируемого СВЧ-излучения, по крайней мере, на 50% и обеспечить стабильность ее от импульса к импульсу в пределах ±10% (См. фиг.3 и фиг.4).

Кроме того, применение взрывоэмиссионного катода на основе стеклоуглерода позволило существенно увеличить диапазон изменения зазора анод-катод ускорителя без заметного ухудшения энергетических характеристик СВЧ-излучения, что также свидетельствует о возросшей, по сравнению с реакторным графитом, эмиссионной способности катода.

Снимки торможения электронного пучка на мишени, полученные с помощью камеры-обскуры, также свидетельствуют о большей стабильности и равномерности по площади эмиссии электронного пучка при использовании катода заявляемого типа.

Таким образом, с точки зрения формирования катодом стабильного по амплитуде и равномерно распределенного по площади тока электронного пучка представляется целесообразным использование в сильноточных ускорителях открытопористого стеклоуглеродного материала.

Взрывоэмиссионный катод сильноточного ускорителя электронов, выполненный из углеродсодержащего материала и электрически связанный с источником питания, отличающийся тем, что в качестве материала для выполнения катода использован открытопористый стеклоуглеродный материал.