close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY15662

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2012.04.30
(12)
(51) МПК
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
BY (11) 15662
(13) C1
(19)
H 01J 3/00
(2006.01)
ПЛАЗМЕННЫЙ ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРОНОВ
(21) Номер заявки: a 20100180
(22) 2010.02.08
(43) 2011.10.30
(71) Заявитель: Учреждение образования
"Полоцкий государственный университет" (BY)
(72) Авторы: Груздев Владимир Алексеевич; Залесский Виталий Геннадьевич; Русецкий Игорь Станиславович (BY)
(73) Патентообладатель: Учреждение образования "Полоцкий государственный
университет" (BY)
(56) ОКС Е.М. Источники электронов с плазменным катодом: Физика, техника, применение. - Томск: НТЛ, 2005. - С. 8891.
BY 220 U, 2000.
RU 2371802 C1, 2009.
SU 456322 A1, 1975.
US 6593686 B1, 2003.
JP 2001/256901 A.
BY 15662 C1 2012.04.30
(57)
Плазменный источник электронов, включающий разрядную камеру, содержащую полый катод, отражательный плоский катод с отверстием, магнит и анод, установленные
между катодами, и ускоряющий электрод с отверстием для прохождения электронного
пучка, отличающийся тем, что содержит электрически изолированный эмиттерный электрод с эмиссионным каналом, соосным с полостью полого катода и отверстиями в отражательном катоде и ускоряющем электроде, причем эмиттерный электрод установлен
между отражательным катодом и ускоряющим электродом, отверстия в отражательном
катоде и эмиттерном электроде совпадают по форме с апертурой в полом катоде, а диаметр эмиссионного канала меньше диаметра отверстия в отражательном катоде.
Фиг. 1
Изобретение относится к области техники получения электронных пучков и может
быть использовано для реализации электронно-лучевых технологий: сварки, модификации
и упрочнения поверхностей материалов.
BY 15662 C1 2012.04.30
К плазменным источникам электронов относятся устройства, в которых с помощью
низковольтного разряда, возбуждаемого в разрядной структуре, формируется плазма, которая эмиттирует электроны через эмиссионный канал в одном из электродов разрядной
камеры в ускоряющий промежуток, где формируется электронный пучок. Эмиссионный
канал выполняется обычно в электроде, имеющем анодный или катодный потенциал. С
увеличением диаметра эмиссионного канала растет доля разрядного тока, отбираемого в
электронный пучок, - эффективность извлечения электронов. Однако поскольку давление
плазмообразующего газа в разрядной камере обычно значительно превышает допустимое
давление в ускоряющем промежутке, при котором обеспечивается его электрическая
прочность, то эмиссионный канал обеспечивает перепад давления между разрядной камерой и ускоряющим промежутком и увеличение его диаметра ограничено.
Известен плазменный источник электронов [1], включающий размещенные по одной
оси два катода, противостоящие рабочие поверхности которых выполнены коническими с
сужением зазора между ними, главный анод, расположенный между катодами, вспомогательный анод, размещенный под внешним катодом, эмиссионный канал, выполненный во
вспомогательном аноде, постоянные магниты и ускоряющий электрод.
Недостатком известного источника является невысокая эффективность извлечения
электронов (до 40 %), что, несмотря на анодный потенциал эмиттерного электрода, обусловлено низкой концентрацией плазмы в области извлечения. Увеличение эффективности извлечения можно обеспечить за счет формирования потока плазменных электронов
из области основного разряда в область эмиссии поперек магнитного поля при повышении
давления. Однако при этом электрическая прочность ускоряющего промежутка снижается.
В качестве прототипа выбран плазменный источник электронов [2], включающий разрядную камеру, состоящую из полого цилиндрического катода, противостоящего ему
плоского отражательного катода, который одновременно является эмиттерным электродом системы извлечения электронов, и цилиндрического анода, установленного между
катодами, кольцевого магнита, также установленного между катодами, и ускоряющий
электрод с отверстием для прохождения электронного пучка. В эмиттерном электроде
имеется эмиссионный канал, в котором при наличии внешнего электрического поля, ускоряющего электроны, локализуется плазменная эмиссионная граница. В промежутке между
катодами с помощью постоянного кольцевого магнита создается продольное магнитное
поле. Полый катод и эмиттерный электрод выполнены из магнитной стали. Электроны,
выходящие из плазмы через эмиссионную поверхность, попадают в высоковольтное электрическое поле ускоряющего электрода, формируются в пучок, который в дальнейшем
фокусируется магнитной линзой.
В качестве недостатков прототипа можно отметить следующее. Во-первых, эмиссионный канал выполнен в отражательном катоде, имеющем значительный (несколько сотен
вольт) отрицательный потенциал относительно эмиттирующей плазмы. При этом разность
потенциалов между плазмой и отражательным катодом близка к приложенному к разрядной структуре напряжению горения разряда. В результате этого ионы плазмообразующего
газа из плазмы поступают на стенки эмиссионного канала с высокой энергией, что приводит к интенсивной эрозии канала и быстрому изменению его геометрических размеров.
Это в значительной степени ограничивает ресурс эмиттерного электрода (отражательного
катода) и источника в целом. Во-вторых, вследствие того что разность потенциалов между
плазмой и эмиттерным электродом составляет несколько сотен вольт, толщина слоя пространственного заряда, отделяющего плазму от эмиттерного электрода, достаточно большая, что приводит к необходимости использовать эмиссионные каналы достаточно
большого диаметра для достижения в плазменном источнике электронов приемлемой с
технологической точки зрения эффективности извлечения электронов 30-40 %. Увеличение диаметра эмиссионного канала, которое могло бы обеспечить дальнейшее повышение
эффективности извлечения, в данном случае ограничено снижением электрической проч2
BY 15662 C1 2012.04.30
ности ускоряющего промежутка. Увеличение тока пучка (мощности при постоянном ускоряющем напряжении) при указанной достигаемой эффективности извлечения возможно
за счет повышения разрядного тока, однако при этом пропорционально возрастает интенсивность эрозии эмиссионного канала. Кроме этого, при увеличении разрядного тока выше 1 A газовый разряд может переходить в нестабильное состояние, обусловленное
самопроизвольным локальным разогревом электродов и возникновением дуговых катодных микропятен на их поверхности, что приводит к самопроизвольному переходу разряда
в дуговой режим и обратно с хаотическими колебаниями тока разряда (пучка) с амплитудой колебания более 1 A.
Задача изобретения - повысить КПД плазменного источника электронов за счет увеличения эффективности извлечения электронов из плазмы в пучок до 60 % и более, что,
при сохранении электрической прочности ускоряющего промежутка и стабильности
эмиссионного тока без изменения системы электропитания газового разряда, обеспечит
увеличение мощности электронного пучка при заданном ускоряющем напряжении и расширит технологические возможности плазменного источника электронов.
Поставленная задача решается тем, что плазменный источник электронов, включающий разрядную камеру, содержащую полый катод, отражательный плоский катод с отверстием, магнит и анод, установленные между катодами, и ускоряющий электрод с
отверстием для прохождения электронного пучка, в отличие от прототипа, содержит электрически изолированный эмиттерный электрод с эмиссионным каналом, соосным с полостью полого катода и отверстиями в отражательном катоде и ускоряющем электроде,
причем эмиттерный электрод установлен между отражательным катодом и ускоряющим
электродом, отверстия в отражательном катоде и эмиттерном электроде совпадают по
форме с апертурой в полом катоде, а диаметр эмиссионного канала меньше диаметра отверстия в отражательном катоде.
На фиг. 1 изображен общий вид (разрез) заявляемого устройства, на фиг. 2 и 3 - варианты реализации изолированного эмиттерного электрода и отражательного катода, на
фиг. 4 - график зависимости эффективности извлечения от ускоряющего напряжения в
заявляемом плазменном источнике электронов (сплошная линия) и в прототипе (пунктирная линия).
Плазменный источник электронов включает разрядную камеру, состоящую из полого
катода 1, отражательного плоского катода 2, а также анода 3 и магнита 4, установленных
между катодами. В верхней части полого катода имеется отверстие 5 для подачи в разрядную камеру плазмообразующего газа. Под катодом 2 размещен дополнительный электрически изолированный электрод 6, имеющий отверстие 7 - эмиссионный канал. Под
дополнительным электродом 6 установлен ускоряющий электрод 8 с отверстием 9 для
прохождения электронного пучка. В отражательном катоде 2 имеется отверстие 10. Диаметр эмиссионного канала 7 меньше диаметра отверстия 10 в отражательном катоде 2. Все
элементы устройства, за исключением анода, размещены соосно, соосны и все отверстия в
электродах. При решении отдельных технологических задач ось анода может не совпадать
с осью всей системы, а форма самого анод может отличаться от цилиндрической. В остальных случаях цилиндрический анод устанавливается соосно с другими электродами
разрядной камеры. Геометрическая форма апертуры 11 полого катода может быть любой
(круглой, квадратной, прямоугольной и др.), причем отверстия в отражательном и эмиттерном электродах совпадают по форме с апертурой в полом катоде. Изолированный
эмиттерный электрод может быть выполнен из металла или из диэлектрического материала с нанесенным проводящим покрытием со стороны ускоряющего промежутка и в области контакта электрода с плазмой.
Работает плазменный источник электронов следующим образом. При подаче от источника питания разряда (на фиг. 1 не показан) разности потенциалов между анодом 3,
электрически замкнутыми полым катодом 1 и отражательным катодом 2, в межкатодном
3
BY 15662 C1 2012.04.30
пространстве с магнитным полем, создаваемым магнитом 4, формируется плазма. Магнитное поле обеспечивает снижение напряжения зажигания разряда и способствует увеличению концентрации плазмы. С увеличением напряжения источника питания разряда
концентрация плазмы растет и при некотором ее значении плазма проникает в полость
катода 1. В полости катода 1 реализуется электростатическая "ловушка" для электронов
[3], вследствие чего концентрация плазмы в полости значительно увеличивается за счет
интенсивной ионизации газа плазменными электронами и электронами, эмиттрированными внутренней поверхностью полого катода при бомбардировке его ионами. При этом напряжение горения разряда снижается, а ток разряда увеличивается - реализуется эффект
полого катода [3]. Дальнейшее увеличение напряжения источника питания разряда приводит к росту тока разряда, концентрации плазмы в полом катоде и на оси газоразрядной
камеры без существенного увеличения напряжения горения разряда. С увеличением концентрации плазмы на оси выше некоторого значения плазма проникает через отверстие 10
в отражательном катоде 2 к изолированному эмиттерному электроду 6. Потенциал эмиттерного электрода определяется потоками заряженных частиц на него и устанавливается
автоматически, исходя из равенства токов ионов и электронов, формируемых этими потоками. Поэтому существенное значение имеет площадь изолированного эмиттерного электрода, контактирующая с плазмой. Чем больше эта площадь и чем больше концентрация
плазмы, с которой она контактирует, тем при меньших давления и меньших ускоряющих
напряжениях возникает взаимосвязь между током эмиссии и параметрами плазмы. Реализовать управление переходом плазменного эмиттера в режим высокой эффективности
можно за счет изменения диаметра отверстия в отражательном катоде, а также за счет изменения формы эмиттерного электрода в области эмиссионного канала, сделав его плоским (фиг. 1) или с выступающей частью, приблизив эмиттерный электрод к плазме, как
показано на фиг. 2 или на фиг. 3.
Разность потенциалов, которая устанавливается между плазмой и изолированным
эмиттерным электродом, составляет величину в несколько десятков вольт, что значительно меньше разности потенциалов между плазмой и катодом (как в прототипе - с катодным
эмиттерным электродом), но существенно больше разности потенциалов между плазмой и
анодом (как в аналоге - с анодным эмиттерным электродом). Поэтому ионы, попадающие
из плазмы на изолированный эмиттерный электрод, имеют малую энергию 5 (несколько
десятков эВ) и не вызывают разрушения эмиссионного канала, что обеспечивает высокий
ресурс плазменного источника электронов. Приэлектродный слой, отделяющий плазму от
изолированного эмиттерного электрода 6 в эмиссионном канале, препятствует проникновению плазмы из разрядной камеры в эмиссионный канал 7 и далее в ускоряющий промежуток между эмиттерным электродом 6 и ускоряющим электродом 8.
При подаче ускоряющего для электронов напряжения между ускоряющим электродом
8 и отражательным катодом 2 электрическое поле ускоряющего электрода проникает в
эмиссионный канал 6 и снижает потенциальный барьер для плазменных электронов, формируемый в эмиссионном канале 7 приэлектродным слоем. С увеличением ускоряющего
напряжения уменьшается также площадь в сечении эмиссионного канала 7, перекрытая
приэлектродным слоем изолированного эмиттерного электрода 6. Вследствие этого электронный ток эмиссии (ток пучка) из плазмы через эмиссионный канал в ускоряющий промежуток увеличивается. С ростом тока эмиссии электронов увеличивается число
ионизации газа в ускоряющем промежутке и возрастает поток ионов на электрически изолированный эмиттерный электрод со стороны ускоряющего промежутка. Обусловленное
этим потоком увеличение потенциала электрически изолированного эмиттерного электрода компенсируется потоком электронов из плазмы на поверхность эмиттерного электрода,
контактирующую с этой плазмой. Тем самым потенциал электрически изолированного
эмиттерного электрода подстраивается автоматически под условие эмиссии электронов из
плазмы, при этом практически исключается возможность электрического пробоя уско4
BY 15662 C1 2012.04.30
ряющего промежутка. Использование электрически изолированного эмиттерного электрода обеспечивает разделение областей интенсивных ионизационных процессов и формирование электронного пучка, а автоматическая регулировка потенциала изолированного эмиттерного электрода 6 способствует формированию в плазме потоков
электронов в область эмиссии, соответствующих току извлекаемых из плазмы электронов.
Тем самым реализуется саморегулируемое переключение разряда на изолированный
эмиттерный электрод. При этом ток полого катода (концентрация плазмы) линейно зависит от тока эмиссии в условиях постоянного напряжения горения разряда и ЭДС источника его электропитания. Возникновение зависимости параметров плазмы от тока эмиссии
обусловлено рядом механизмов: повышением потенциала плазмы; формированием в ней
слабых электрических полей, не нарушающих ее квазинейтральности, и сопровождается
ростом интенсивности ионизационных процессов и увеличением концентрации плазмы,
соответствующим увеличению тока эмиссии. Тем самым исключаются срывы эмиссионного тока, обусловленные недостаточно высокой плотностью формируемой в разряде
эмитирующей плазмы, что повышает стабильность тока пучка.
В результате возникновения стабильной зависимости параметров плазмы от эмиссионного тока в разрядной камере реализуются условия, способствующие потреблению
энергии, необходимой для поддержания разряда в условиях высокоэффективной эмиссии
электронов из плазмы, от двух источников: источника питания разряда и источника ускоряющего напряжения. Это обеспечивает высокую эффективность извлечения, которая
достигается в плазменном источнике электронов, и, соответственно, высокий КПД источника в целом. Кроме этого, поскольку разность потенциалов между плазмой и изолированным эмиттерным электродом больше анодного падения потенциала, то потери
плазменных электронов на изолированном эмиттерном электроде минимальны, что также
способствует повышению эффективности извлечения электронов из плазмы.
Таким образом, использование изолированного эмиттерного электрода обеспечивает
возникновение саморегулирующейся взаимосвязи процессов, протекающих в газоразрядной структуре и ускоряющем промежутке, и позволяет получать электронные пучки со
стабильными параметрами и высокой эффективностью извлечения, что иллюстрируется
сравнительными характеристиками извлечения, приведенными на фиг. 4.
Источники информации:
1. Патент РБ 7573, МПК7 H 01J 37/077, 3/00, 2005 (аналог).
2. Окc Е.М. Источники электронов с плазменным катодом: Физика, техника, применения. - Томск: НТЛ, 2005. - С. 88-89 (прототип).
3. Москаленко Б.И. Разряд с полым катодом. - М.: Изд-во Энергия, 1969. - С. 65-84.
Фиг. 2
5
BY 15662 C1 2012.04.30
Фиг. 3
Фиг. 4
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
6
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
106 Кб
Теги
патент, by15662
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа