RU107657U1

RU107657U1 - FORVACUMUM PLASMA ELECTRONIC SOURCE

Info

Publication number: RU107657U1
Application number: RU2011107955/07U
Authority: RU
Inventors: Юрий Георгиевич Юшков; Александр Владимирович Медовник; Виктор Алексеевич Бурдовицин; Ефим Михайлович Окс
Priority date: 2011-03-01
Filing date: 2011-03-01
Publication date: 2011-08-20

Abstract

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 . A forevacuum plasma electronic source including a cylindrical hollow cathode, a flat anode with a hole covered by a grid, an accelerating electrode, characterized in that a metal cylinder with a diameter d and a length l of which are connected with diameter D and depth L of the hollow cathode ratios! and.

Description

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.The utility model relates to the field of plasma technology and can be applied in the development of electron-beam devices and used in electron-beam technology, experimental physics, and plasma-chemical technology.

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.Known devices designed to generate electron beams by emission of electrons from a gas discharge plasma (a / c of the USSR No. 835264, 1455928). In these devices, plasma is created by initiating a discharge in a gas. Discharge, i.e. the current in the gas is supported by the voltage applied between the electrodes of the discharge system. A plasma emission boundary is created within a hole made in one of the electrodes of the discharge system. In an electronic source with a plasma cathode (a / c USSR No. 1455928), including a hollow cathode, a cylindrical anode, a flat reflector cathode located opposite the hollow cathode, a focusing system, the emission hole is located in the center of the flat reflector cathode. An accelerating voltage is applied between the cathode-reflector and the accelerating electrode-extractor. The indicated electron gun makes it possible to obtain a sharply focused electron beam with an energy of 20-40 keV at a gas pressure in the accelerating gap of 1.3 * 10 ^-3 Pa ÷ 1.3 * 10 ^-2 Pa. The discharge is initiated when a voltage is applied between the hollow cathode and the anode due to the pressure drop in the emission hole due to gas inlet into the cathode cavity. When generating electron beams in such an electronic source, the distribution of current density over the cross section of the electron beam always has a maximum on the axis, since the plasma concentration in the discharge system on the axis is maximum. Changing the configuration of the electrodes of the accelerating system does not allow obtaining a uniform distribution of the current density over the beam cross section. In addition, the specified source is inoperative in the field of fore-vacuum pressures, i.e. in the range of 5-20 Pa.

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.The closest in technical essence to the alleged invention is a plasma electronic source (Russian patent No. 2215383) containing a hollow cathode, an anode with an emission hole, an accelerating electrode, a disk of a heat-resistant inorganic dielectric. The specified source allows you to get in the forevacuum electron beams with a cross section of not more than 1 cm ² in the absence of gas inlet into the cathode cavity. However, in this source, the distribution of the current density over the cross section of the electron beam is inhomogeneous, which is due to a higher plasma concentration on the axis of the cathode cavity during discharge burning and, correspondingly, a higher current density on the beam axis.

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.The purpose of this utility model is to increase the cross-sectional area of the electron beam while ensuring a uniform distribution of current density over the cross section. This goal is achieved by the fact that in a known forevacuum source containing a cylindrical hollow cathode, a grid anode and a grid accelerating electrode, a metal cylinder is axially symmetrically placed on the wall of the hollow cathode opposite its aperture. The cylinder diameter d and its length l are related to the diameter D by the depth L of the hollow cathode by the relations and . Placing a cylinder of such dimensions changes the nature of the radial distribution of the plasma density in the vicinity of the grid anode, which in turn ensures that the current density distribution is aligned over the cross section of the wide-aperture electron beam extracted from the source. These ratios are important to achieve the objective of the invention. If d and l of the metal cylinder are less than D / 5 and L / 2, respectively, then the radial distribution of the current density in the beam has a maximum on the axis. On the contrary, provided and the distribution of current density over the beam diameter takes the form of a two-hump curve. Those. a minimum of current density takes place on the axis of the beam.

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.A diagram of the proposed electron source is shown in FIG. The cathode 1 made of copper contains a cylindrical cavity ø 93 mm and a height of 70 mm. The grid anode 3 is made in the form of two superimposed stainless steel grids, the mesh cell size of each of which is 0.3 × 0.3 mm, and the geometric transparency is 60%. The grid anode 3 is mounted on the flange 4. The assembled hollow cathode assembly is mounted on the insulator 5. The plane-parallel accelerating gap is formed by two grid electrodes: anode 3 and extractor 6. The distance between these electrodes remained unchanged in all experiments and was 25 mm. The grid of the extractor 6 (2.5 × 2.5 mm, 70%) is also made of stainless steel. Insulators 5 and 7 of the discharge and high-voltage gaps are made of caprolon. The diameter and height of the insulators are respectively 100 and 70 mm for the discharge and 146 and 40 mm for the accelerating gaps.

Новым элементом по сравнению с прототипом является медный цилиндр 2 диаметром 19 мм и длиной 50 мм, размещенный на стенке 1 полого катода.A new element compared to the prototype is a copper cylinder 2 with a diameter of 19 mm and a length of 50 mm, placed on the wall 1 of the hollow cathode.

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 .The source works as follows. Upon reaching a pressure of 5-10 Pa in the vacuum chamber, a constant voltage of 5-15 kV is applied to the accelerating gap. After that, voltage pulses with an amplitude of 4 kV and a duration of 200 μs are supplied to the discharge gap. The plasma formed in the hollow cathode becomes a source of electrons that are extracted from the plasma through the mesh anode, are accelerated by a constant voltage and are formed into a beam. Placing a metal cylinder in the cathode cavity makes it possible to equalize the radial distribution of plasma density near the mesh anode. This ensures a uniform distribution of current density over the cross section of the electron beam, as follows from the results presented in Figure 2, if the cylinder diameter d and its length l are related to the diameter D and the depth L of the hollow cathode by the relations and .

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.The proposed electronic source makes it possible to obtain an electron beam uniform in cross section in the pressure range up to 10 Pa with an accelerating voltage not less than that of the closest analogue, which expands the possible applications of electron beams in material processing technology. In particular, the proposed source can be used for electron beam heating, melting or evaporation of the surface of both conductive and non-conductive material.

Claims

A forevacuum plasma electronic source including a cylindrical hollow cathode, a flat anode with a hole covered by a grid, an accelerating electrode, characterized in that a metal cylinder with a diameter d and a length l of which are connected with diameter D and depth L of the hollow cathode relations

and

.