Изобретение относится к области плазменной техники и может быть применено при разработке электронно-лучевых устройств и использовано в электронно-лучевой технологии, экспериментальной физике, плазмохимической технологии. The invention relates to the field of plasma technology and can be applied in the development of electron beam devices and is used in electron beam technology, experimental physics, and plasma-chemical technology.
Известны устройства, предназначенные для генерации непрерывных электронных пучков путем эмиссии электронов из газоразрядной плазмы (а.с. СССР 1455928, 835264). 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, эмиссионное отверстие устроено в центре плоского катода-отражателя. Разряд зажигается в газе, напускаемом в катодную полость. Ускоряющее напряжение прикладывается между катодом-отражателем и ускоряющим электродом. Указанная электронная пушка позволяет получать пучок электронов с энергией 20-40 кэВ при давлении газа в ускоряющем промежутке 1,3•10-3 Па-1,3•10-2 Па. При увеличении давления пушка теряет работоспособность, т.к. в ускоряющем промежутке зажигается разряд, что приводит к резкому падению напряжения до нескольких сотен или даже десятков вольт. Повышение рабочего давления может быть достигнуто размещением вблизи эмиссионного электрода заземленного экрана (ЖТФ, 1980, Т. 50, Вып.1, С. 203-205). Этот экран затрудняет возникновение разряда в ускоряющем промежутке, поскольку устраняет длинные пути, по которым обычно и развивается разряд. Применение экрана позволяет повысить рабочее давление до 2,6 Па. Дальнейшее повышение давления, однако, приводит к возникновению разряда в ускоряющем промежутке, причем несмотря на то, что в соответствии с кривой Пашена разряд возникать не должен. Причина заключается прежде всего в том, что электронный пучок вызывает появление в ускоряющем промежутке ионов, которые, ускоряясь, попадают на эмиссионный электрод, вызывают вторичную электронную эмиссию, что в конечном итоге и приводит к возникновению разряда и потере работоспособности источника.Known devices designed to generate continuous electron beams by emission of electrons from a gas discharge plasma (AS USSR 1455928, 835264). 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 (AS USSR 1455928), including a hollow cathode, a cylindrical anode, a flat reflector cathode located opposite the hollow cathode, the emission hole is located in the center of the flat reflector cathode. The discharge is ignited in the gas discharged into the cathode cavity. An accelerating voltage is applied between the cathode reflector and the accelerating electrode. The specified electron gun allows you to get a beam of electrons 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. With increasing pressure, the gun loses its functionality, because a discharge is ignited in the accelerating gap, which leads to a sharp drop in voltage to several hundred or even tens of volts. An increase in working pressure can be achieved by placing a grounded shield near the emission electrode (ZhTF, 1980, T. 50, Issue 1, P. 203-205). This screen complicates the occurrence of a discharge in the accelerating gap, since it eliminates the long paths along which the discharge usually develops. The use of the screen allows to increase the working pressure up to 2.6 Pa. A further increase in pressure, however, leads to the appearance of a discharge in the accelerating gap, despite the fact that, in accordance with the Paschen curve, a discharge should not occur. The reason is, first of all, that the electron beam causes the appearance of ions in the accelerating gap, which, accelerating, fall on the emission electrode, cause secondary electron emission, which ultimately leads to the appearance of a discharge and loss of operability of the source.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является источник электронов непрерывного действия (ПТЭ, 1998, 2, с. 95-98), содержащий соосные полый катод, анод с эмиссионным отверстием, перекрытым мелкоструктурной сеткой, и ускоряющий электрод с отверстием для пропускания электронного пучка. В указанном источнике электроды ускоряющего промежутка, т. е. анод и ускоряющий электрод, выполнены плоскими и расположены параллельно друг другу на предельно малом расстоянии, минимальное значение которого определяется возможностью вакуумного пробоя. Указанное решение позволяет повысить рабочее давление до 9,3 Па при сохранении электрической прочности ускоряющего промежутка, допускающей прикладывать ускоряющее напряжение до 8 кВ. Ясно, что указанное техническое решение не имеет принципиальных отличий от решения, описанного в (ЖТФ, 1980, Т. 50, Вып.1, С. 203-205). Повышение рабочего давления достигается за счет снижения плотности тока электронного пучка, что, в свою очередь, обусловлено увеличением диаметра эмиссионного отверстия. The closest in technical essence to the present invention is a source of continuous electrons (PTE, 1998, 2, pp. 95-98), containing a coaxial hollow cathode, an anode with an emission hole covered by a fine-grained network, and an accelerating electrode with an opening for transmitting an electron beam . In the indicated source, the electrodes of the accelerating gap, i.e., the anode and the accelerating electrode, are made flat and are parallel to each other at an extremely small distance, the minimum value of which is determined by the possibility of vacuum breakdown. The specified solution allows to increase the operating pressure to 9.3 Pa while maintaining the electric strength of the accelerating gap, allowing applying an accelerating voltage of up to 8 kV. It is clear that the indicated technical solution has no fundamental differences from the solution described in (ZhTF, 1980, T. 50, Issue 1, P. 203-205). The increase in working pressure is achieved by reducing the current density of the electron beam, which, in turn, is due to an increase in the diameter of the emission hole.
Техническим результатом настоящего изобретения является дальнейшее повышение рабочего давления источника электронов при сохранении электрической прочности ускоряющего промежутка и плотности эмиссионного тока. The technical result of the present invention is to further increase the working pressure of the electron source while maintaining the electric strength of the accelerating gap and the density of the emission current.
Указанный результат достигается тем, что в известном источнике электронов, содержащем соосные полый катод, анод с эмиссионным отверстием, перекрытым эмиссионной сеткой, и ускоряющий электрод, между анодом и ускоряющим электродом размещен диск из термостойкого неорганического диэлектрика с отверстием в центре. Причем диаметр отверстия в диске больше диаметра эмиссионного отверстия в аноде и меньше отверстия в ускоряющем электроде. This result is achieved by the fact that in a known electron source containing a coaxial hollow cathode, an anode with an emission hole covered by an emission grid, and an accelerating electrode, a disk of a heat-resistant inorganic dielectric with an opening in the center is placed between the anode and the accelerating electrode. Moreover, the diameter of the hole in the disk is larger than the diameter of the emission hole in the anode and smaller than the hole in the accelerating electrode.
Схема предлагаемого источника электронов представлена на чертеже. Полый катод 1, анод 2 и ускоряющий электрод 3 размещены соосно на керамических изоляторах 4, один из которых укреплен на фланце 5. Эмиссионное отверстие 6 в аноде перекрыто мелкоструктурной металлической сеткой. Новым элементом по сравнению с прототипом является керамический диск 7 с отверстием 8, размещенный между анодом и экстрактором. The proposed electron source is shown in the drawing. The hollow cathode 1, the anode 2 and the accelerating electrode 3 are placed coaxially on the ceramic insulators 4, one of which is mounted on the flange 5. The emission hole 6 in the anode is covered by a fine-grained metal mesh. A new element in comparison with the prototype is a ceramic disk 7 with a hole 8, located between the anode and the extractor.
Источник работает следующим образом. Вакуумную камеру, на фланце которой установлен источник, откачивают до давления 1,3-13 Па. При необходимости указанный диапазон давлений достигается напуском газа в вакуумную камеру. Затем к катоду 1 и аноду 2 источника прикладывают напряжение от блока питания разряда, плавным повышением которого добиваются зажигания разряда. После этого подают напряжение между анодом 2 и ускоряющим электродом 3 от блока ускоряющего напряжения, плавным повышением которого добиваются формирования электронного пучка необходимой энергии. Размещение керамического диска 7 позволяет повысить рабочее давление до 13,3 Па при ускоряющем напряжении до 10 кВ, токе эмиссии до 1 А и диаметре эмиссионного отверстия в аноде 10 мм. Наличие диска позволяет избежать попадания эмитированных электронов на ускоряющий электрод. Это объясняет причину, по которой отверстие в диске должно быть меньше отверстия в ускоряющем электроде. С другой стороны, отверстие в диске должно быть больше эмиссионного отверстия в аноде, ибо при обратном соотношении не удается избежать интенсивного нагрева края диска электронами пучка, что с неизбежностью влечет за собой как газовыделение, так и появление поверхностной проводимости диэлектрика. Возможны также нарушение механической прочности диска и появление трещин. Все эти явления приводят в конечном итоге к снижению электрической прочности ускоряющего промежутка и возникновению разряда в нем. Возможность нагрева края диэлектрического диска объясняет, почему необходимо, чтобы диск был выполнен из термостойкого неорганического диэлектрика (керамика, кварц). The source works as follows. The vacuum chamber, on the flange of which the source is installed, is pumped out to a pressure of 1.3-13 Pa. If necessary, the specified pressure range is achieved by inflowing gas into the vacuum chamber. Then, voltage is applied to the cathode 1 and the anode 2 of the source from the discharge power supply unit, by a smooth increase of which the ignition of the discharge is achieved. After that, a voltage is applied between the anode 2 and the accelerating electrode 3 from the accelerating voltage unit, a smooth increase in which they achieve the formation of an electron beam of the necessary energy. The placement of the ceramic disk 7 makes it possible to increase the working pressure to 13.3 Pa with an accelerating voltage of up to 10 kV, an emission current of up to 1 A and a diameter of the emission hole in the anode of 10 mm. The presence of the disk allows avoiding hit of emitted electrons on the accelerating electrode. This explains the reason why the hole in the disk should be smaller than the hole in the accelerating electrode. On the other hand, the hole in the disk should be larger than the emission hole in the anode, because with the opposite ratio it is not possible to avoid intense heating of the disk edge by beam electrons, which inevitably entails both gas evolution and the appearance of surface conductivity of the dielectric. Violation of the mechanical strength of the disk and the appearance of cracks are also possible. All these phenomena ultimately lead to a decrease in the electric strength of the accelerating gap and the occurrence of a discharge in it. The possibility of heating the edge of the dielectric disk explains why it is necessary that the disk is made of a heat-resistant inorganic dielectric (ceramic, quartz).
Предлагаемый электронный источник позволяет получать электронный пучок в области давлений до 13,3 Па при ускоряющем напряжении и плотности эмиссионного тока не меньших, чем у наиболее близкого аналога, что расширяет возможные области применения электронных пучков. В частности, предлагаемый источник может быть использован в плазмохимических установках для инициирования пучкового разряда в газе. The proposed electronic source allows to obtain an electron beam in the pressure range up to 13.3 Pa with an accelerating voltage and emission current density not less than that of the closest analogue, which expands the possible applications of electron beams. In particular, the proposed source can be used in plasma chemical plants to initiate a beam discharge in a gas.