RU2096857C1

RU2096857C1 - Wide-aperture plasma emitter

Info

Publication number: RU2096857C1
Application number: RU96104206A
Authority: RU
Inventors: А.П. Семенов; В.П. Нархинов
Original assignee: Бурятский институт естественных наук СО РАН
Priority date: 1996-03-01
Filing date: 1996-03-01
Publication date: 1997-11-20

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: emitter is made as single assembly of electrode systems of auxiliary circular and main volume discharges. It has common anode and cathodes, flat cathodes, one of which is wire-gauze cathode, and magnetic system. Common anode is made as cylindrical toroid. Rod cathodes are deepened into toroid hollow to half their length on the side of external cylinder. Internal cylinder of toroid is provided with circular slot. It forms cavity together with flat face cathodes. On external cylinder periphery rod cathodes are interconnected by magnets, and consequently, they form magnetic circuit with longitudinal magnetic field in toroid hollow. EFFECT: efficient thermal treatment. 1 dwg

Description

Изобретение относится к плазменной эмиссионной электронике, в частности к конструкции плазменных ионных и электронных эмиттеров непрерывного действия с большой поверхностью на основе объемного разряда с холодными электродами, и может быть использовано для термической обработки в вакууме: при спекании изделий из металлических порошков, пайке, закалке, а также в технологических процессах, например, обезгаживания деталей с последующей активизацией и нанесением покрытий, когда требуется комбинация электронных и ионных пучков, решаемая в едином цикле путем переключения полярности ускоряющего частицы напряжения. The invention relates to plasma emission electronics, in particular to the design of continuous-action plasma ionic and electronic emitters with a large surface based on a volume discharge with cold electrodes, and can be used for heat treatment in vacuum: during sintering of products from metal powders, soldering, hardening, as well as in technological processes, for example, degassing of parts with subsequent activation and coating, when a combination of electron and ion beams is required, which is solved in a single cycle by switching the polarity of the particle accelerating voltage.

Известны плазменные эмиттеры непрерывного действия с большой поверхностью на основе инжекции заряженных частиц из низковольтного отражательного разряда с холодным полым катодом в специальный полый электрод (формирователь) [1, 2, 3] Недостатком таких плазменных эмиттеров является низкая эффективность извлечения заряженных частиц, а меры, принимаемые для улучшения однородности эмиссии, значительно усложняют схему и конструкцию всего эмиттера. Known plasma emitters of continuous action with a large surface on the basis of injection of charged particles from a low voltage reflective discharge with a cold hollow cathode into a special hollow electrode (shaper) [1, 2, 3] The disadvantage of such plasma emitters is the low efficiency of the extraction of charged particles, and the measures taken to improve the uniformity of the emission, significantly complicate the scheme and design of the entire emitter.

Известная конструкция плазменного эмиттера [4] выбранная в качестве прототипа, состоит из разрядной камеры вспомогательного разряда, возбуждаемого в промежутке, ограниченном полым катодом, вспомогательным катодом и анодом, и из разрядной камеры основного разряда, содержащей анод-формирователь (экспандер), торец которого перекрыт эмиттерным электродом в виде сетчатого или перфорированного диска. На оси формирователя устанавливается перераспределяющий электрод в виде перфорированного стального диска. The known construction of a plasma emitter [4] selected as a prototype consists of a discharge chamber of an auxiliary discharge excited in a gap bounded by a hollow cathode, an auxiliary cathode, and an anode, and of a discharge chamber of the main discharge containing an anode former (expander), the end of which is closed an emitter electrode in the form of a mesh or perforated disk. A redistributing electrode in the form of a perforated steel disk is installed on the axis of the former.

Сначала возбуждается отражательный разряд с полым катодом. Заряженные частицы из этого разряда через осевое отверстие во вспомогательном катоде проникают в основной разрядный промежуток, образованный вспомогательным катодом, эмиссионным электродом и формирователем. Продольное магнитное поле создается постоянным кольцевым магнитом. First, a hollow cathode reflective discharge is excited. Charged particles from this discharge through the axial hole in the auxiliary cathode penetrate into the main discharge gap formed by the auxiliary cathode, the emission electrode and the former. A longitudinal magnetic field is created by a permanent ring magnet.

В зависимости от потенциала формирователя и давления в нем существует три режима работы плазменного эмиттера:
режим проникающей плазмы с дальнейшим ее расширением в экспандере;
режим извлечения потока электронов из разрядной камеры вспомогательного разряда к эмульсионному электроду и образования этим потоком плазмы в экспандере;
режим при повышенном давлении >5•10^-2 Па, когда между катодами и экспандером зажигается объемный разряд. Отбор заряженных частиц ведется с различной эффективностью извлечения, зависящей от режимов и условий горения вспомогательного и основного разрядов.Depending on the potential of the shaper and the pressure in it, there are three modes of operation of the plasma emitter:
penetrating plasma regime with its further expansion in the expander;
the mode of extraction of the electron stream from the discharge chamber of the auxiliary discharge to the emulsion electrode and the formation of a plasma stream in the expander;
operation at elevated pressure> 5 • 10 ^-2 Pa, when a volume discharge is ignited between the cathodes and the expander. The selection of charged particles is carried out with different extraction efficiency, depending on the modes and conditions of combustion of the auxiliary and main discharges.

Недостатком известной конструкции является низкая эффективность извлечения при работе в режиме проникающей плазмы; для осуществления второго режима, приводящего к проникновению расходящегося потока электронов с максимальной плотностью на оси, необходимо введение перераспределяющего электрода, обеспечивающего однородность извлечения заряженных частиц. Однако введение перераспределяющего электрода приводит к росту тока на боковую поверхность формирователя, следовательно, к снижению эффективности эмиссии. Наиболее эффективным является режим объемного разряда в формирователе, но существующий порог минимально допустимого давления при этом режиме ухудшает прочность, приводит к пробою ускоряющего промежутка. Уменьшение рабочего давления осуществляется с помощью магнитного поля, создаваемого соленоидом [3] то есть для зажигания объемного (основного) разряда требуется ввод дополнительного оборудования, что усложняет конструктивную схему в целом, увеличивает металлоэнергоемкость. A disadvantage of the known design is the low extraction efficiency when operating in the mode of penetrating plasma; to implement the second mode, which leads to the penetration of a diverging electron stream with a maximum density on the axis, it is necessary to introduce a redistributing electrode, which ensures uniform extraction of charged particles. However, the introduction of a redistributing electrode leads to an increase in current to the side surface of the former, and, consequently, to a decrease in the emission efficiency. The most effective is the volume discharge mode in the shaper, but the existing threshold of the minimum allowable pressure under this mode worsens the strength, leads to a breakdown of the accelerating gap. Reducing the working pressure is carried out using the magnetic field created by the solenoid [3] that is, for the ignition of the volume (main) discharge, additional equipment is required, which complicates the design scheme as a whole, increases the energy intensity.

Цель изобретения повышение надежности, экономичности и эффективности эмиттера. The purpose of the invention is improving the reliability, economy and efficiency of the emitter.

Указанная цель достигается тем, что в широкоапертурном плазменном эмиттере, выполненном в едином узле электродных систем вспомогательного тороидального и основного объемного разрядов и содержащем катодные и анодные электроды, катодный электрод основного разрядного пространства выполняется плоским и сетчатым, анодный электрод выполняется общим, а катодный электрод вспомогательного разрядного промежутка стержневым. This goal is achieved by the fact that in a wide-aperture plasma emitter made in a single node of the electrode systems of the auxiliary toroidal and main volume discharges and containing the cathode and anode electrodes, the cathode electrode of the main discharge space is flat and mesh, the anode electrode is common, and the cathode electrode of the auxiliary discharge span rod.

На чертеже показана схема эмиттера. The drawing shows the emitter circuit.

Широкоапертурный плазменный эмиттер содержит полый анод 1 в форме цилиндрического тороида с диаметром внешнего цилиндра 200 мм и 28 стержневых катодов 2 сечением 10х10 мм. Стержни радиально и на половину длины заглублены в полость анода через отверстия во внешнем цилиндре. Перемычками выступающих на периферии анода стержней являются 56 попарно скрепленных постоянных стержневых магнитов 3 (20х7х10 мм) из SmCO₅. Магниты заключены в герметичную полость и охлаждаются потоком воздуха, нагнетаемого компрессором СО45Б. Стержневые катоды делят полость анодного электрода на 28 ячеек. Индукция магнитного поля в каждой из ячеек 8•10^-2 10^-1 Тл, причем магнитное поле в ячейках направлено вдоль рамки анода, и периодически от ячейки к ячейке направление магнитного поля меняется на противоположное. По средней линии внутреннего цилиндра анода 1, имеющего диаметр 154 мм, выполнена кольцевая прорезь 4 высотой проходного сечения 2 мм. Края прорези оконтурены магнитной сталью [5] Все ячейки сообщаются через прорезь с основным разрядом промежутков, состоящим из пластинчатого катода 5 в виде диска диаметром 205 мм, сетчатого катода 6, выполненного из стальной сетки с размерами фрагментов 1х1 мм и прозрачностью 0,64, и анода, которым служит внутренний цилиндр тороида. Внутренний цилиндр, как составная часть полого анода 1, является общим для вспомогательного и основного разрядов. Протяженность промежутков между плоскопараллельными дисковым 5 и сетчатым 6 катодами 30 мм. Камеры вспомогательного и основного разрядов вакуумировались через сетчатое окно диаметром 140 мм в катоде 6. Плазмообразующий газ (аргон, воздух) натекал в плоскость анода 1 из четырех диаметрально противоположных отверстий. Заряженные частицы (электроны и ионы) извлекались на коллектор 7 - металлический диск диаметром 130 мм. Протяженность промежутка ускорения составляла 7 мм.The wide-aperture plasma emitter contains a hollow anode 1 in the form of a cylindrical toroid with an outer cylinder diameter of 200 mm and 28 rod cathodes 2 with a cross section of 10x10 mm. The rods are radially and half-length buried in the cavity of the anode through holes in the outer cylinder. The bridges of the rods protruding at the periphery of the anode are 56 pairwise fixed permanent bar magnets 3 (20x7x10 mm) of SmCO ₅ . The magnets are enclosed in an airtight cavity and cooled by a stream of air pumped by a SO45B compressor. Rod cathodes divide the cavity of the anode electrode into 28 cells. The magnetic field induction in each of the cells is 8 • 10 ^-2 10 ^-1 T, and the magnetic field in the cells is directed along the anode frame, and periodically from the cell to the cell the direction of the magnetic field is reversed. On the middle line of the inner cylinder of the anode 1, having a diameter of 154 mm, an annular slot 4 is made with a passage section height of 2 mm. The edges of the slot are contoured by magnetic steel [5]. All cells communicate through the slot with the main discharge of the gaps, consisting of a plate cathode 5 in the form of a disk with a diameter of 205 mm, a mesh cathode 6 made of steel mesh with a fragment size of 1x1 mm and a transparency of 0.64, and anode, which is the inner cylinder of the toroid. The inner cylinder, as part of the hollow anode 1, is common to the auxiliary and main discharges. The length of the gaps between the plane-parallel disk 5 and mesh 6 cathodes 30 mm The auxiliary and main discharge chambers were evacuated through a mesh window with a diameter of 140 mm in the cathode 6. Plasma-forming gas (argon, air) flowed into the plane of the anode 1 from four diametrically opposite holes. Charged particles (electrons and ions) were removed to the collector 7 - a metal disk with a diameter of 130 mm. The length of the acceleration gap was 7 mm.

Широкоапертурный плазменный эмиттер работает следующим образом. Сначала вакуумируются камеры вспомогательного и основного разрядов последовательно включенными насосами: вращательным НВПР-16-066 и паромасляным Р-160/700 до остаточного давления ≈4•10^-3 Па. Затем устанавливается рабочее давление газа в пределах 1 2,6•10^-2 Па. Приложение напряжения, как показано на чертеже, между катодами 2, 5, 6 и анодом 1 приводит к зажиганию вспомогательного разряда с растущей вольт-амперной характеристикой. Прианодный слой пространственного заряда перекрывает апертуру кольцевой прорези 4 и отделяет плазму от полости основного разряда. Полость же не оказывает заметного влияния на горение разряда. Однако в этой ситуации в цепи сетчатого и пластинчатого катодов регистрируется ионный ток. Уходу ионов из вспомогательного разряда на сетчатый и пластинчатый катоды способствует возникающее в разряде отрицательное анодное падение потенциала. С ростом тока вспомогательного разряда доля ионов, проникающих в полость сетчатого и пластинчатого катодов, увеличивается, анодный пристеночный слой пространственного заряда перестает полностью перекрывать высоту прорези и плазма вспомогательного заряда из 28 ячеек радиально проникает в полость между сетчатым и пластинчатым катодами и внутренним цилиндром полого катода [5] При этом благодаря тому, что плазма является источником ионов и излучения, эмиссионные процессы распространяются на стенки пластинчатого и сетчатого катодов. Электрическое поле прикатодных слоев обеспечивает колебания электронов между катодами, что повышает частоту неупругих взаимодействий электронов с газом. Все это в конечном итоге приводит к повышению плотности плазмы в межкатодной полости, увеличению разрядного тока и падению напряжения горения разряда. Зажигается основной разряд с общим анодом. Заряженные частицы (электроны и ионы) извлекаются на коллектор 7 подачей плавно регулируемого электрического напряжения 0 10 кВ соответствующей полярности от высоковольтного выпрямителя между заземленным сетчатым катодом 6 и изолированным коллектором 7.Wide-aperture plasma emitter operates as follows. First, the auxiliary and main discharge chambers are evacuated by series-connected pumps: rotary НВПР-16-066 and steam-oil Р-160/700 to a residual pressure of ≈4 • 10 ^-3 Pa. Then the working gas pressure is set in the range of 1 2.6 • 10 ^-2 Pa. The application of voltage, as shown in the drawing, between the cathodes 2, 5, 6 and the anode 1 leads to the ignition of an auxiliary discharge with a growing current-voltage characteristic. The anode layer of the space charge overlaps the aperture of the annular slot 4 and separates the plasma from the cavity of the main discharge. The cavity does not have a noticeable effect on the combustion of the discharge. However, in this situation, an ion current is detected in the circuit of the mesh and plate cathodes. The departure of ions from the auxiliary discharge to the grid and plate cathodes is facilitated by the negative anode potential drop arising in the discharge. With an increase in the auxiliary discharge current, the fraction of ions penetrating into the cavity of the mesh and plate cathodes increases, the anode wall layer of the space charge ceases to completely overlap the height of the slot and the auxiliary charge plasma of 28 cells radially penetrates the cavity between the mesh and plate cathodes and the inner cylinder of the hollow cathode [ 5] Moreover, due to the fact that the plasma is a source of ions and radiation, emission processes propagate to the walls of the plate and mesh cathodes. The electric field of the cathode layers provides oscillations of electrons between the cathodes, which increases the frequency of inelastic interactions of electrons with gas. All this ultimately leads to an increase in the plasma density in the cathode cavity, an increase in the discharge current, and a decrease in the discharge burning voltage. The main discharge with a common anode is ignited. Charged particles (electrons and ions) are removed to the collector 7 by applying a continuously adjustable electrical voltage of 0 10 kV of the corresponding polarity from the high-voltage rectifier between the grounded mesh cathode 6 and the insulated collector 7.

В условиях технологического применения широкоапертурного плазменного эмиттера (извлекающее напряжение 10 кВ, ускоряющий промежуток 7 мм, давление аргона в промежутке 4•10^-2Па) сформирован пучок электронов поперечным сечением 140 мм, током 0,1 0,2 А. При смене полярности извлекающего напряжения получен пучок ионов диаметром 140 мм, током 0,015 А. Возбуждаемая стационарная объемная плазма высокооднородна. Равномерность распределения плотности тока ≈0,05.Under the technological application of a wide-aperture plasma emitter (extracting voltage of 10 kV, accelerating gap of 7 mm, argon pressure in the gap of 4 • 10 ^-2 Pa), an electron beam with a cross section of 140 mm and a current of 0.1 0.2 A is formed. When changing the polarity of the extracting voltage beam, an ion beam with a diameter of 140 mm and a current of 0.015 A was obtained. The excited stationary bulk plasma is highly homogeneous. The uniformity of the distribution of current density is ≈0.05.

Использование широкоапертурного плазменного эмиттера, построенного на принципе сосредоточения вспомогательного разряда на периферии и по всему периметру радиально широкой и аксиально короткой цилиндрической электродной полости, обеспечивает генерирование стационарной высокооднородной плотной плазмы. По конструктивному исполнению плазменный эмиттер проще эмиттеров большой площади со вспомогательным разрядом [4] с аксиальной инжекцией заряженных частиц в цилиндрический анод- формирователь (экспандер). Исключение дополнительных элементов, не влияющих на конечные параметры прибора, снижает металлоемкость и трудозатраты на изготовление. The use of a wide-aperture plasma emitter based on the principle of concentrating an auxiliary discharge at the periphery and around the perimeter of a radially wide and axially short cylindrical electrode cavity provides the generation of a stationary highly uniform dense plasma. By design, a plasma emitter is simpler than large-area emitters with an auxiliary discharge [4] with axial injection of charged particles into a cylindrical anode former (expander). The exclusion of additional elements that do not affect the final parameters of the device reduces the metal consumption and labor costs for manufacturing.

Claims

A wide-aperture plasma emitter containing main and auxiliary discharge spaces with electrode systems including cathode and anode electrodes, the cathode electrode of the main discharge space being flat and mesh, a permanent magnet system, characterized in that the anode electrode is made common, and the cathode electrode of the auxiliary discharge gap pivotal.