RU203107U1

RU203107U1 - High-current electron gun

Info

Publication number: RU203107U1
Application number: RU2020117311U
Authority: RU
Inventors: Павел Петрович Кизириди; Григорий Евгеньевич Озур
Priority date: 2020-05-14
Filing date: 2020-05-14
Publication date: 2021-03-22

Abstract

Полезная модель относится к технике генерирования сильноточных электронных пучков и может быть использована при создании импульсных сильноточных электронных ускорителей различного назначения. Техническим результатом заявляемой полезной модели является обеспечение электропитания источников плазмы катодного узла и ускоряющего промежутка от одного генератора высоковольтных импульсов, что не только упрощает систему питания катодного узла, но и избавляет от необходимости синхронизации процессов создания плазмы и формирования пучка, а также снимает проблему высоковольтной развязки. Указанный технический результат достигается тем, что в сильноточной электронной пушке, содержащей катодный узел, включающий катод и набор поджигающих промежутков, электроды которых соединены параллельно через резисторы с анодом (коллектором), электропитание осуществляется как поджигающих промежутков, так и ускоряющего зазора между катодом и анодом (коллектором), от одного генератора высоковольтных импульсов. 1 ил.The utility model relates to the technique of generating high-current electron beams and can be used to create pulsed high-current electron accelerators for various purposes. The technical result of the claimed utility model is to provide power supply to the plasma sources of the cathode assembly and the accelerating gap from a single high-voltage pulse generator, which not only simplifies the cathode assembly power supply system, but also eliminates the need to synchronize the processes of plasma creation and beam formation, and also removes the problem of high-voltage decoupling. The specified technical result is achieved by the fact that in a high-current electron gun containing a cathode assembly, including a cathode and a set of igniting gaps, the electrodes of which are connected in parallel through resistors with the anode (collector), power is supplied to both the igniting gaps and the accelerating gap between the cathode and the anode ( collector), from one high-voltage pulse generator. 1 ill.

Description

Полезная модель относится к технике генерирования сильноточных электронных пучков и может быть использована для создания импульсных сильноточных электронных ускорителей, а также для поверхностной обработки материалов и изделий этими пучками.The utility model relates to the technique of generating high-current electron beams and can be used to create pulsed high-current electron accelerators, as well as for surface treatment of materials and products with these beams.

Известны электронные пушки [1, 2], содержащие катодный узел, анод (плазменный как в [1] или сетчатый как в [2]) и коллектор. В катодный узел в этих пушках встроены источники плазмы на основе дугового разряда, инициируемого пробоем по поверхности диэлектрика. Недостатком данных пушек является необходимость раздельного электропитания источников плазмы и ускоряющего промежутка, т.е. наличие в системе электропитания минимум двух блоков (генераторов).Known electron guns [1, 2], containing a cathode assembly, an anode (plasma as in [1] or mesh as in [2]) and a collector. Plasma sources based on an arc discharge initiated by a breakdown along the dielectric surface are built into the cathode assembly in these guns. The disadvantage of these guns is the need for separate power supply of the plasma sources and the accelerating gap, i.e. the presence of at least two units (generators) in the power supply system.

Наиболее близкой по техническому решению к заявляемому изобретению, выбранной за прототип, является электронная пушка с катодным узлом, содержащим 48 резистивно развязанных дисковых эмиттеров, инициируемых пробоем по поверхности диэлектрика [3] при подаче на них высоковольтного импульса от первого генератора через повышающий трансформатор. Плазма, возникающая при пробое этих 48 промежутков между дисками-эмиттерами и катодом, является эмиттером электронов. Эмитированные электроны ускоряются в сторону анода (коллектора), благодаря разности потенциалов между катодом и анодом (коллектором), создаваемой высоковольтным импульсом от другого генератора, и тем самым формируется электронный пучок.The closest technical solution to the claimed invention, chosen as a prototype, is an electron gun with a cathode assembly containing 48 resistively decoupled disk emitters initiated by a breakdown along the dielectric surface [3] when a high-voltage pulse is applied to them from the first generator through a step-up transformer. The plasma produced by the breakdown of these 48 gaps between the emitter disks and the cathode is the electron emitter. The emitted electrons are accelerated towards the anode (collector), due to the potential difference between the cathode and the anode (collector), created by a high-voltage pulse from another generator, and thus an electron beam is formed.

Недостатком этой пушки является необходимость раздельного электропитания источников плазмы и ускоряющего зазора между катодом и анодом (коллектором), и как следствие необходимость синхронизации двух генераторов и обеспечение высоковольтной развязки между ними.The disadvantage of this gun is the need for separate power supply of the plasma sources and the accelerating gap between the cathode and the anode (collector), and, as a consequence, the need to synchronize the two generators and ensure high-voltage decoupling between them.

Задача, решаемая полезной моделью, - упрощение системы электропитания электронной пушки.The problem solved by the utility model is to simplify the power supply system for the electron gun.

Техническим результатом заявляемой полезной модели является обеспечение электропитания источников плазмы катодного узла и ускоряющего промежутка от одного генератора высоковольтных импульсов.The technical result of the claimed utility model is to provide power supply to the plasma sources of the cathode assembly and the accelerating gap from a single high-voltage pulse generator.

Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что в известной электронной пушке, содержащей катодный узел, включающий катод и набор поджигающих промежутков, электроды которых соединены параллельно через резисторы с анодом (коллектором), и систему электропитания, согласно полезной модели, электропитание, как поджигающих промежутков, так и ускоряющего зазора между катодом и анодом (коллектором) осуществляется от одного генератора высоковольтных импульсов, отрицательный полюс которого соединен с катодом, а положительный - с анодом (коллектором).The specified technical result in the implementation of the utility model is achieved by the fact that in a known electron gun containing a cathode unit, including a cathode and a set of igniting gaps, the electrodes of which are connected in parallel through resistors with the anode (collector), and the power supply system, according to the utility model, power supply, as the ignition gaps and the accelerating gap between the cathode and the anode (collector) is carried out from one high-voltage pulse generator, the negative pole of which is connected to the cathode, and the positive pole is connected to the anode (collector).

Часть тока генератора высоковольтных импульсов, стекающая через развязывающие резисторы на «землю», существенно (минимум на порядок) меньше тока в ускоряющем промежутке между катодом и анодом (коллектором), что обеспечивает передачу большей части энергии из генератора высоковольтных импульсов в энергию пучка, тем самым повышая эффективность электронной пушки.The part of the high-voltage pulse generator current flowing down through the decoupling resistors to ground is significantly (at least an order of magnitude) less than the current in the accelerating gap between the cathode and the anode (collector), which ensures the transfer of most of the energy from the high-voltage pulse generator to the beam energy, thereby increasing the efficiency of the electron gun.

Предлагаемая схема подключения генератора избавляет от необходимости синхронизации процессов создания плазмы и формирования пучка, а также снимает проблему высоковольтной развязки.The proposed generator connection scheme eliminates the need to synchronize the processes of plasma creation and beam formation, and also eliminates the problem of high-voltage decoupling.

На Фиг. 1 приведена принципиальная конструктивная схема предлагаемой сильноточной электронной пушки. Катодный узел включает в себя катод 1 в виде перфорированного медного диска, в отверстия которого заподлицо вставлены керамические трубки 2 и медные электроды 3. Наружный диаметр трубок составляет 4 мм, внутренний - 2 мм; диаметр электродов также равен 2 мм. Каждый электрод (в нашем случае их 69 штук) заземлен через резисторы 4 сопротивлением 2 кОм (по два резистора номиналом 1 кОм последовательно соединенных). Таким образом, катодный узел содержит 69 поджигающих промежутков, которые становятся источниками плазмы при последующей подаче напряжения на катод 1. Межцентровое расстояние между поджигающими промежутками составляет 5,5 мм, все они вписаны в окружность диаметром около 54 мм.FIG. 1 shows a schematic structural diagram of the proposed high-current electron gun. The cathode assembly includes a cathode 1 in the form of a perforated copper disk, into the holes of which ceramic tubes 2 and copper electrodes 3 are flush inserted. The outer diameter of the tubes is 4 mm, the inner diameter is 2 mm; the diameter of the electrodes is also 2 mm. Each electrode (in our case there are 69 of them) is grounded through resistors 4 with a resistance of 2 kOhm (two resistors with a nominal value of 1 kOhm connected in series). Thus, the cathode assembly contains 69 igniting gaps, which become plasma sources upon subsequent voltage supply to the cathode 1. The center-to-center distance between the igniting gaps is 5.5 mm, all of them are inscribed in a circle with a diameter of about 54 mm.

При подаче на катод высоковольтного импульса отрицательной полярности амплитудой 15-30 кВ от генератора 5 (через проходные изоляторы б) происходит пробой по поверхности торцов керамических трубок 2, и возникает плазма, состоящая из ионизованного десорбированного (с поверхности катода 1, керамических трубок 2 и электродов 3) газа и плазмы из материалов катода 1 (катодные пятна), керамических трубок 2 и электродов 3. Образование катодных пятен при протекании тока через поджигающие промежутки (эти пятна можно назвать затравочными) обеспечивается тем, что амплитуда тока через каждый промежуток превышает так называемый пороговый ток дуги [4], который составляет доли-единицы ампер практически для всех материалов (например, для меди пороговый ток дуги составляет около 3 А). Электроны, эмитируемые первоначально возникшими (затравочными), а также возникшими в течение импульса плазменными сгустками, ускоряются в двойном слое между ними и анодом (в нашем случае предварительно созданным плазменным анодом 7) и транспортируются к заземленному коллектору 8. Рост тока (в абсолютном выражении) обеспечивается, как увеличением числа катодных пятен, так и их расширением, что эквивалентно увеличению площади эмиссионной поверхности [5]. Плазменный анод, имеющий потенциал практически равный потенциалу коллектора, в нашем случае создается с помощью сильноточного отражательного разряда при подаче импульса положительной полярности на вспомогательный кольцевой металлический электрод 9 через проходной изолятор 10. Зажигание и горение сильноточного отражательного разряда обеспечивается продольным магнитным полем, создаваемым соленоидом 11, которое также обеспечивает транспортировку пучка к коллектору. Отметим, что данное магнитное поле не препятствует пробою поджигающих промежутков, поскольку при типичных значениях его индукции 0,1-0,2 Тл ларморовский радиус электронов с энергией 15 кэВ и выше в несколько раз превышает расстояние по поверхности диэлектрической трубки, по которой развивается пробой. Для уменьшения вероятности попадания электронов катодной плазмы на стенку корпуса пушки 12 установлен экранный электрод 13, электрически соединенный с катодом 1.When a high-voltage pulse of negative polarity is applied to the cathode with an amplitude of 15-30 kV from the generator 5 (through the bushing insulators), a breakdown occurs along the surface of the ends of the ceramic tubes 2, and a plasma appears, consisting of ionized desorbed (from the surface of the cathode 1, ceramic tubes 2 and electrodes 3) gas and plasma from the materials of the cathode 1 (cathode spots), ceramic tubes 2 and electrodes 3. The formation of cathode spots when current flows through the igniting gaps (these spots can be called seed) is ensured by the fact that the amplitude of the current through each gap exceeds the so-called threshold arc current [4], which is fractions of a unit of amperes for almost all materials (for example, for copper, the threshold arc current is about 3 A). The electrons emitted by the initially arising (seed), as well as the plasma bunches arising during the pulse, are accelerated in the double layer between them and the anode (in our case, the previously created plasma anode 7) and are transported to the grounded collector 8. Current growth (in absolute terms) is provided by both an increase in the number of cathode spots and their expansion, which is equivalent to an increase in the area of the emission surface [5]. The plasma anode, which has a potential almost equal to the collector potential, in our case is created using a high-current reflective discharge when a pulse of positive polarity is applied to the auxiliary ring metal electrode 9 through the bushing 10. The ignition and combustion of a high-current reflective discharge is provided by a longitudinal magnetic field created by solenoid 11, which also transports the beam to the collector. Note that this magnetic field does not prevent the breakdown of the igniting gaps, since at typical induction values of 0.1-0.2 T, the Larmor radius of electrons with an energy of 15 keV and above is several times greater than the distance over the surface of the dielectric tube along which the breakdown develops. To reduce the likelihood of cathode plasma electrons hitting the wall of the gun body 12, a shield electrode 13 is installed, which is electrically connected to the cathode 1.

Предложенная полезная модель была успешно испытана.The proposed utility model has been successfully tested.

На Фиг. 2 приведены типичные осциллограммы, иллюстрирующие ее работу. На Фиг. 2а даны осциллограммы ускоряющего напряжения (U) и тока катода (7), полученные в традиционной схеме формирования пучка с медно-оплеточным взрывоэмиссионным катодом [5], а на Фиг. 2б - такие же осциллограммы, полученные в предлагаемой полезной модели. Отметим, что амплитуда тока катода в высоковольтной стадии при прочих равных условиях (параметры плазменного анода, величина ускоряющего напряжения) примерно в 1,5-1,7 раза превышает аналогичную величину, достигаемую в традиционной схеме формирования пучка в плазмонаполненном диоде. Вероятно, это превышение обусловлено позитивным влиянием затравочных катодных пятен, возникающих при пробое поджигающих промежутков, на увеличение общего числа катодных пятен и, следовательно, отбираемого с катода тока. Следует также подчеркнуть, что предлагаемая схема сильноточной электронной пушки может успешно использоваться и в случае без предварительного заполнения пространства между катодом и коллектором (который в этом случае является одновременно и анодом) плазмой от постороннего источника, т.е. для вакуумного диода, но, конечно, при существенно меньших расстояниях между катодом и анодом - коллектором (единицы сантиметров).FIG. 2 shows typical oscillograms illustrating its operation. FIG. 2a shows oscillograms of the accelerating voltage (U) and the cathode current (7), obtained in the traditional scheme of beam formation with a copper-sheathed explosive-emission cathode [5], and in Fig. 2b - the same oscillograms obtained in the proposed utility model. Note that the amplitude of the cathode current in the high-voltage stage, all other things being equal (parameters of the plasma anode, the magnitude of the accelerating voltage), is approximately 1.5-1.7 times higher than the analogous value achieved in the traditional scheme of beam formation in a plasma-filled diode. Probably, this excess is due to the positive influence of the seed cathode spots, which appear during the breakdown of the igniting gaps, on the increase in the total number of cathode spots and, consequently, the current taken from the cathode. It should also be emphasized that the proposed scheme of a high-current electron gun can be successfully used even in the case without preliminary filling of the space between the cathode and the collector (which in this case is also the anode) with plasma from an external source, i.e. for a vacuum diode, but, of course, at significantly smaller distances between the cathode and the anode - the collector (units of centimeters).

Источники информации, принятые во внимание:Sources of information taken into account:

1. Иремашвили Д.В., Куртъников С.В., Леонтьев Н.И., Осепашвти Т.А. Сильноточная электронная пушка с током 50 кА в импульсе // Письма в ЖЭТФ, 1973, т. 17, №1, с. 11-13.1. Iremashvili D.V., Kurtnikov S.V., Leontiev N.I., Osepashvti T.A. High-current electron gun with a current of 50 kA in a pulse. Letters to ZhETF, 1973, vol. 17, no. 1, p. 11-13.

2. Коваль КН., Крейндель Ю.Е., Щанин П.М. Генерирование импульсных электронных пучков с равномерным распределением высокой плотности тока в системах с плазменным сетчатым эмиттером // ЖТФ, 1983, т. 53, №9, с. 1846-1848.2. Koval KN., Kreindel Yu.E., Shchanin P.M. Generation of pulsed electron beams with a uniform distribution of high current density in systems with a plasma grid emitter // ZhTF, 1983, vol. 53, no. 9, p. 1846-1848.

3. Gary Loda, Sol Schneider, William F. Otto, George J. Dezenberg. Temporal waveshaping of a triode cold cathode electron beam gun. Proc. 4^th IEEE Pulsed Power Conference. Albuquerque, New Mexico, USA, June 6-8, 1983, pp. 486-489.3. Gary Loda, Sol Schneider, William F. Otto, George J. Dezenberg. Temporal waveshaping of a triode cold cathode electron beam gun. Proc. 4 ^th IEEE Pulsed Power Conference. Albuquerque, New Mexico, USA, June 6-8, 1983, pp. 486-489.

4. Кесаев И.Г. Катодные процессы электрической дуги // М.: Наука. - 1968. - 244 с.4. Kesaev I.G. Cathodic processes of an electric arc // M .: Nauka. - 1968 .-- 244 p.

5. Озур Г.Е., Проскуровский Д.И. Генерация низкоэнергетических сильноточных электронных пучков в пушках с плазменным анодом. Физика плазмы, 2018, №1, с. 21-44. DOI: 10.7868/S0367292118010146.5. Ozur G.E., Proskurovsky D.I. Generation of low-energy high-current electron beams in guns with a plasma anode. Plasma Physics, 2018, No. 1, p. 21-44. DOI: 10.7868 / S0367292118010146.

Claims

A high-current electron gun containing a cathode assembly, including a cathode in the form of a perforated plate and a set of plasma-forming igniting gaps built into the holes in the cathode, including insulators and electrodes, which are connected in parallel through resistors with the collector anode, as well as a power supply system, characterized in that the power supply of both the igniting gaps and the accelerating gap between the cathode and the anode is carried out from a single high-voltage pulse generator, the negative pole of which is connected to the cathode, and the positive pole is connected to the anode-collector.