Электронно-ионный источник

Полезная модель относится к области получения электронных и ионных пучков и может быть использовано в ускорительной технике.

Задачей полезной модели является повышение стабильности работы источника во времени при сохранении постоянства эмисионных характеристик электронно-ионного источника и геометрических характеристик электронного пучка.

Указанный технический результат достигается тем, что электронно-ионный источник с продольным извлечением частиц из отражательного разряда с холодными катодами содержит эмитерный катод с эмисионным отверстием и расположенный против него второй полый катод, анод, систему вытягивания и систему электропитания, при этом, полый катод выполнен в виде двух соосных элементов.

Отличительной особенностью является то, что пространство между соосными элементами полого катода заполнено теплоносителем и вакуумировано.

Полезная модель относится к области получения электронных и ионных пучков и может быть использована в ускорительной технике.

Известен электронно-ионный источник с продольным извлечением частиц из отражательного разряда с холодными катодами, содержащий эмитерный катод с эмисионным отверстием и расположенный против него второй катод, анод, систему вытягивания и систему электропитания [SU 456322 А1, 1973].

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного источника, относится то, что в известном источнике при длительном режиме работы и повышенной мощности электронного луча происходит значительный разогрев устья полого катода из-за недостаточного теплоотвода до температуры выше точки Кюри (Т=727°С), что приводит к ферро-парамагнитному переходу последнего и изменению конфигурации магнитного поля в разрядной камере. Кроме того, при переходе температуры ферромагнитного материала через точку Кюри коэффициент распыления его резко возрастает. Все перечисленные факторы неблагоприятно сказываются на условиях горения разряда и как следствие эмисионных характеристиках электронного источника.

Наиболее близким источником того же назначения к заявляемой полезной модели по совокупности признаков является электронно-ионный источник, который содержит биметаллический полый катод 2, состоящий из внутренней ферромагнитной и наружной высокотеплопроводящей части (фиг.1). Кроме того, источник содержит также эмитерный катод 1, анод 3, систему вытягивания 4 и систему электропитания [RU 2378732 С1, 2010].

Данный источник принят за прототип. К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного источника, принятого за прототип, относится то, что при увеличении мощности электронного луча и продолжительной работе источника высокотеплопередающая часть полого катода не справляется со своей функцией передачи тепла и происходит перегрев полого катода и изменение его эмиссионных характеристик. То есть в известном источнике существует предел по величине теплового потока, определяемый теплопроводностью и площадью поперечного сечения полого катода, имеющего реальные размеры. Если задаться градиентом температуры по длине катода 100 градусов, то максимальный тепловой поток передаваемый, к примеру, высокотеплопроводящей медной частью полого катода при площади поперечного сечения 100 мм² и длиной катода 50 мм составит 80 Вт. Расчет проведен по формуле: q=-T, где:

q - плотность теплового потока, Вт/м ²

- теплопроводность, Вт/мК

T градиент температуры, К/м

Увеличение поперечного сечения высокотеплопроводящей части полого катода не представляется возможным по конструктивным соображениям разрядной камеры электронно-ионного источника. Увеличение мощности разряда для повышения тока электронного луча приведет к росту градиента температуры по длине полого катода, что непременно приведет к изменению эмиссионных характеристик источника электронов, ускоренному изменению геометрических параметров разрядной камеры за счет повышенного ионного распылению устья полого катода, что в совокупности приведет к изменению параметров электронного пучка. Для увеличения стабильности горения разряда необходимо обеспечить теплоотвод с наиболее нагреваемых электродов разрядной камеры, коим является полый катод. Использование серебра в качестве теплопередающего элемента повышает уровень мощности незначительно и не решает указанной задачи.

Задачей полезной модели является повышение стабильности работы источника во времени при сохранении постоянства эмисионных характеристик электронно-ионного источника и геометрических характеристик электронного пучка.

Технический результат при осуществлении заявляемой полезной модели достигается за счет более интенсивного теплоотвода из рабочей части полого катода, состоящего из двух соосных трубок, за счет испарения теплоносителя в нижней части полого катода, конденсации пара в верхней части катода, расположенной в охлаждающей среде, причем передача тепла происходит со скоростью распространения пара, что превышает скорость теплопередачи по массивному катоду, даже в случае изготовления его из меди или серебра.

Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что как и известный, электронно-ионный источник с продольным извлечением частиц из отражательного разряда с холодными катодами содержит эмитерный катод с эмисионным отверстием и расположенный против него второй полый катод, анод, систему вытягивания и систему электропитания, при этом, полый катод выполнен в виде двух соосных элементов.

Отличительной особенностью является то, что пространство между соосными элементами полого катода заполнено теплоносителем и вакуумировано. Уровень теплоносителя между стенками трубок выбирается таким образом, чтобы теплоноситель закрывал ту часть катода, где может происходить тепловыделение в результате ионной бомбардировки.

Целесообразно в качестве теплоносителя использовать, например, дистиллированную воду, спирт, масло, расплавы легкоплавких сплавов или металлов.

Кроме того, наружный элемент полого катода выполнен из металла с высокой теплопроводностью, например, меди, серебра, алюминия.

При этом, наружный элемент полого катода выполнен в форме, например, радиатора охлаждения.

Указанная конструкция полого катода не позволяет увеличиваться температуре его устья выше температуры, определяемой свойствами теплоносителя, а при использовании в качестве теплоносителя воды эта температура значительно ниже точки Кюри, что сохраняет постоянство эмисионных характеристик электронно-ионного источника.

На фиг.2 изображен заявляемый электронно-ионный источник.

Источник содержит холодный эмитерный катод 1, полый катод, выполненный в виде двух соосных трубок и состоящий из внутренней ферромагнитной части 2 и наружной высокотеплопроводящей части 6, а пространство между стенками трубок заполнено теплоносителем 7 и вакуумировано, цилиндрический анод 3 и извлекающий электрод 4. Магнитное поле между катодами обеспечивается постоянным магнитом 5.

Источник работает следующим образом.

При подаче напряжения между катодами 1, 2 и анодом 3 зажигается отражательный разряд. С увеличением тока разряда, когда протяженность области катодного падения потенциала становится меньше радиуса апертуры полости в катоде 2, плазма проникает в полость, и зажигается разряд с полым катодом. Интенсивное охлаждение полого катода за счет передачи тепла теплоносителем повышает стабильность параметров электронно-ионного источника во времени.

1. Электронно-ионный источник с продольным извлечением частиц из отражательного разряда с холодными катодами, содержащий эмиттерный катод с эмиссионным отверстием и расположенный против него второй полый катод, анод, систему вытягивания и систему электропитания, при этом полый катод выполнен в виде двух соосных элементов, отличающийся тем, что пространство между соосными элементами полого катода заполнено теплоносителем и вакуумировано.

2. Электронно-ионный источник по п.1, отличающийся тем, что в качестве теплоносителя используют, например, дистиллированную воду, спирт, масло, расплавы легкоплавких сплавов или металлов.

3. Электронно-ионный источник по п.1, отличающийся тем, что наружный элемент полого катода выполнен из металла с высокой теплопроводностью, например меди, серебра, алюминия.

4. Электронно-ионный источник по п.1, отличающийся тем, что наружный элемент полого катода выполнен в форме, например, радиатора охлаждения.