RU2313848C1 - Heavy-current electron gun - Google Patents
Heavy-current electron gun Download PDFInfo
- Publication number
- RU2313848C1 RU2313848C1 RU2006113290/28A RU2006113290A RU2313848C1 RU 2313848 C1 RU2313848 C1 RU 2313848C1 RU 2006113290/28 A RU2006113290/28 A RU 2006113290/28A RU 2006113290 A RU2006113290 A RU 2006113290A RU 2313848 C1 RU2313848 C1 RU 2313848C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cathode
- diaphragm
- anode
- electron gun
- heavy
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Microwave Tubes (AREA)
- Solid Thermionic Cathode (AREA)
- Particle Accelerators (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к технике генерирования сильноточных электронных пучков (СЭП) и может быть использовано для создания импульсных сильноточных электронных ускорителей, а также для поверхностной обработки материалов и изделий этими пучками.The invention relates to techniques for generating high-current electron beams (BOT) and can be used to create pulsed high-current electron accelerators, as well as for surface treatment of materials and products with these beams.
Известна электронная пушка по способу [1], содержащая взрывоэмиссионный катод и анод отражательного разряда (ОР) типа Пеннинга. Анодная плазма, генерируемая в ОР, предварительно заполняет ускоряющий промежуток и пространство дрейфа пучка, т.е. пространство между катодом и коллектором. При последующей подаче импульса ускоряющего напряжения на катод электрическое поле сосредотачивается в прикатодном слое объемного заряда ионов анодной плазмы. На катоде происходит возбуждение взрывной эмиссии с образованием сгустков плотной катодной плазмы - эмиттера электронов. После этого приложенное напряжение практически полностью сосредоточивается в двойном электрическом слое между катодной и анодной плазмами, в котором происходит ускорение и формирование электронного пучка. Наличие анодной плазмы существенно увеличивает первеанс электронного потока по сравнению с потоком в вакуумном промежутке той же протяженности, что обеспечивает получение СЭП даже при относительно низких значениях ускоряющего напряжения (десятки кВ). Для предотвращения пинчевания пучка электронная пушка помещается в ведущее магнитное поле. Недостатком данной пушки является наличие утечек тока в радиальном направлении. Эти утечки обусловлены проникновением плазмы магнетронного разряда, возникающего между анодом и корпусом электронной пушки, в область между катодом и корпусом пушки. Зажигается магнетронный разряд практически одновременно с основным (пеннинговским) разрядом. Утечки тока приводят к сокращению длительности импульса СЭП, уменьшению его энергии, а также к ухудшению стабильности параметров пучка от импульса к импульсу.Known electron gun according to the method [1], containing an explosion-emission cathode and anode of the reflective discharge (OR) of the Penning type. The anode plasma generated in the OR pre-fills the accelerating gap and the space of the beam drift, i.e. the space between the cathode and the collector. When the accelerating voltage pulse is subsequently applied to the cathode, the electric field is concentrated in the near-cathode layer of the space charge of the anode plasma ions. Explosive emission is excited at the cathode with the formation of clots of a dense cathode plasma - an electron emitter. After that, the applied voltage is almost completely concentrated in the double electric layer between the cathode and anode plasmas, in which the electron beam is accelerated and formed. The presence of an anode plasma significantly increases the perveance of the electron flux compared with the flux in the vacuum gap of the same length, which ensures the production of SEPs even at relatively low accelerating voltages (tens of kV). To prevent pinching of the beam, the electron gun is placed in a leading magnetic field. The disadvantage of this gun is the presence of current leaks in the radial direction. These leaks are caused by the penetration of a magnetron discharge plasma arising between the anode and the electron gun body into the region between the cathode and the gun body. The magnetron discharge is ignited almost simultaneously with the main (Penning) discharge. Current leakage leads to a reduction in the duration of the SEC pulse, a decrease in its energy, and also to a deterioration in the stability of the beam parameters from pulse to pulse.
Наиболее близкой по техническому решению к заявляемому изобретению, выбранной за прототип, является электронная пушка со взрывоэмиссионным катодом и плазменным анодом на основе отражательного разряда [2]. Электродная система ОР состоит из кольцевого анода, на который подается положительный импульс напряжения, а также катода пушки и коллектора, которые являются катодами ОР. Аксиальное ведущее магнитное поле, необходимое для зажигания ОР и для транспортировки пучка, создается соленоидом, расположенным снаружи. Использование заземленной диафрагмы с диаметром отверстия, меньшим диаметра катода, расположенной между анодом и взрывоэмиссионным катодом, повышает стабильность параметров пучка от импульса к импульсу, поскольку диафрагма препятствует появлению плазмы в области между корпусом пушки и катодом и, следовательно, формированию канала радиальных утечек тока.Closest to the technical solution to the claimed invention, selected for the prototype, is an electron gun with an explosion-emission cathode and a plasma anode based on reflective discharge [2]. The OR electrode system consists of a ring anode, to which a positive voltage pulse is applied, as well as a gun and collector cathode, which are OR cathodes. The axial driving magnetic field needed to ignite the OP and to transport the beam is created by a solenoid located externally. The use of a grounded diaphragm with a hole diameter smaller than the diameter of the cathode located between the anode and the explosion-emission cathode increases the stability of the beam parameters from pulse to pulse, since the diaphragm prevents the appearance of plasma in the region between the gun body and the cathode and, consequently, the formation of a channel for radial current leakage.
Недостатком электронной пушки данной конструкции является деградация эмиссионной способности взрывоэмиссионного катода в результате осаждения на его поверхности пленки из материала облучаемого образца или изделия в случае, если образец или изделие изготовлены из материала с низкой эмиссионной способностью в сильных электрических полях, например, никеля или нержавеющей стали, содержащей никель в значительных количествах. Особенно быстро деградация эмиссионной способности катода происходит, если работа ведется в безмасляном вакууме. В результате деградации катода уменьшается межремонтный срок службы электронной пушки, снижается энергия пучка, ухудшается стабильность генерации СЭП вплоть до возникновения холостых срабатываний, при которых, несмотря на подачу импульса ускоряющего напряжения, взрывная электронная эмиссия на катоде практически не возбуждается и пучок не генерируется. Появление холостых срабатываний нежелательно не только из-за нарушения режима обработки, но и по той причине, что в результате такого холостого срабатывания может развиться пробой по поверхности высоковольтного изолятора. Это, в свою очередь, может привести как к загрязнению обрабатываемых материалов продуктами эрозии изолятора, так и, в конечном итоге, к разрушению самого изолятора.The disadvantage of the electron gun of this design is the degradation of the emissivity of the explosive emission cathode as a result of deposition of a film from the material of the irradiated sample or product on its surface if the sample or product is made of a material with low emissivity in strong electric fields, for example, nickel or stainless steel, containing nickel in significant quantities. Particularly fast degradation of the cathode emissivity occurs if the work is carried out in an oil-free vacuum. As a result of cathode degradation, the overhaul life of the electron gun is reduced, the beam energy is reduced, the stability of the SEC generation is deteriorated until idle trips occur, in which, despite the supply of an accelerating voltage pulse, explosive electron emission at the cathode is practically not excited and the beam is not generated. The appearance of idle trips is undesirable not only because of a violation of the processing mode, but also because as a result of such idle tripping, breakdown may develop on the surface of the high-voltage insulator. This, in turn, can lead both to contamination of the processed materials with the products of insulator erosion, and, ultimately, to destruction of the insulator itself.
Задача, решаемая изобретением, - повышение срока службы пушки, повышение стабильности параметров СЭП.The problem solved by the invention is to increase the service life of the gun, increasing the stability of the parameters of the EPA.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение срока службы взрывоэмиссионного катода.The technical result of the claimed invention is to increase the service life of the explosive emission cathode.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известной сильноточной электронной пушке, размещенной во внешнем ведущем магнитном поле и включающей в себя взрывоэмиссионный катод, анод отражательного разряда, заземленную диафрагму с диаметром отверстия, меньшим диаметра катода, установленную между катодом и анодом, и коллектор, согласно изобретению диафрагма изготовлена из материала, обладающего высокой эмиссионной способностью в сильных электрических полях. В качестве таких материалов могут служить медь, магний, графит и ряд других.The specified technical result during the implementation of the invention is achieved by the fact that in a known high-current electron gun located in an external driving magnetic field and includes an explosion-emission cathode, an anode of reflective discharge, a grounded diaphragm with an opening diameter smaller than the diameter of the cathode, installed between the cathode and the anode, and the collector according to the invention, the diaphragm is made of a material having high emissivity in strong electric fields. As such materials, copper, magnesium, graphite, and several others can serve.
Как показывают эксперименты, несмотря на фокусирующее действие магнитного поля, диафрагма подвергается интенсивной бомбардировке электронами, эмитируемыми с периферийной части взрывоэмиссионного катода. В результате испарения и переноса материала диафрагмы на поверхность взрывоэмиссионного катода после каждого импульса формируется пленка из этого материала. Если диафрагма изготовлена из материала, обладающего высокой эмиссионной способностью в сильных электрических полях, то это обеспечивает повышение срока службы взрывоэмиссионного катода.As experiments show, despite the focusing effect of the magnetic field, the diaphragm is subjected to intense bombardment by electrons emitted from the peripheral part of the explosive emission cathode. As a result of evaporation and transfer of the material of the diaphragm to the surface of the explosive emission cathode, a film of this material is formed after each pulse. If the diaphragm is made of a material having high emissivity in strong electric fields, this ensures an increase in the service life of the explosive emission cathode.
На Фиг.1 приведена принципиальная конструктивная схема предлагаемой сильноточной электронной пушки. Катодами ОР являются, с одной стороны, взрывоэмиссионный катод 1 и диафрагма 2, а с противоположной стороны - коллектор пучка 3. Диафрагма 2 размещена между взрывоэмиссионным катодом 1 и анодом 4. Анод 4, на который подается положительный импульс напряжения, представляет собой тонкостенное металлическое кольцо. Аксиальное ведущее магнитное поле создается секционированным соленоидом 5, размещенным снаружи корпуса электронной пушки 6. Проходной высоковольтный изолятор 7 изготовлен из фарфора. Корпус электронной пушки вакуумноплотно присоединен к рабочей камере 8, к которой также подключены системы вакуумной откачки и стационарного напуска рабочего газа. Для электропитания ОР, соленоида и катода электронной пушки используются блок питания разряда (БПР), блок питания соленоида (БПС), генератор импульсных напряжений (ГИН) соответственно, которые управляются командами блока управления (БУ).Figure 1 shows a schematic structural diagram of the proposed high-current electronic gun. The OP cathodes are, on the one hand, an explosion-emission cathode 1 and a
Электронная пушка работает следующим образом. После откачки объема электронной пушки до давления не более 0,005 Па в нее стационарно напускается рабочий газ (в нашем случае аргон) до давления порядка 0,05 Па. Затем включается БПС, и в электронной пушке создается ведущее магнитное поле, которое обеспечивает не только зажигание ОР, но и последующую транспортировку СЭП к коллектору 3. В момент достижения максимума магнитного поля на анод ОР подается импульс положительной полярности амплитудой 4-5 кВ от БПР. После перехода ОР в сильноточную стадию с установленной задержкой на катод 1 электронной пушки подается импульс ускоряющего напряжения отрицательной полярности амплитудой 12-36 кВ. После возбуждения взрывной электронной эмиссии ускоряющее напряжение сосредотачивается в двойном электрическом слое между катодной и анодной плазмами. Ускоренный в двойном слое электронный пучок транспортируется в анодной плазме к коллектору 3, на котором могут располагаться обрабатываемые образцы или детали.The electron gun works as follows. After pumping the volume of the electron gun to a pressure of not more than 0.005 Pa, the working gas (argon in our case) is stationaryly introduced into it to a pressure of the order of 0.05 Pa. Then, the BPS is turned on, and a leading magnetic field is created in the electron gun, which provides not only the ignition of the OR, but also the subsequent transport of the solar cells to the collector 3. At the maximum magnetic field, a pulse of positive polarity with an amplitude of 4-5 kV from the BPR is applied. After the OR passes into the high-current stage with a set delay, an accelerating voltage pulse of negative polarity with an amplitude of 12-36 kV is applied to the cathode 1 of the electron gun. After the initiation of explosive electron emission, the accelerating voltage is concentrated in a double electric layer between the cathode and anode plasmas. The electron beam accelerated in the double layer is transported in the anode plasma to the collector 3, on which the processed samples or parts can be located.
Экспериментальные наблюдения «автографов» СЭП на диафрагме показали, что диаметр пучка с плотностью энергии, достаточной для распыления даже такого трудно распыляемого импульсным электронным пучком материала, как медь, превышает диаметр отверстия диафрагмы на 10-15 мм, если диаметр катода не меньше диаметра отверстия в диафрагме. Взрывоэмиссионный катод с диаметром эмитирующей части 65 мм был изготовлен из медной же проволочной плетенки, запрессованной в обойму из нержавеющей стали диаметром 75 мм. Диаметр отверстия в диафрагме составлял 60 мм. Таким образом, были обеспечены условия переноса материала диафрагмы на поверхность катода.Experimental observations of the “autographs” of the SES on the diaphragm showed that the diameter of the beam with an energy density sufficient to sputter even such a material that is difficult to spray with a pulsed electron beam, like copper, exceeds the diameter of the diaphragm by 10-15 mm, if the diameter of the cathode is not less than the diameter of the hole in aperture. The explosion-emission cathode with a diameter of the emitting part of 65 mm was made of the same copper wire braid, pressed into a holder of stainless steel with a diameter of 75 mm. The diameter of the hole in the diaphragm was 60 mm. Thus, the conditions for the transfer of the diaphragm material to the cathode surface were ensured.
На Фиг.2,а приведены экспериментальные данные по ресурсным испытаниям взрывоэмиссионного катода с диафрагмами из разных материалов и в ее отсутствие. Конкретно исследовалась зависимость вероятности холостых срабатываний взрывоэмиссионного катода ηxx от общего числа выстрелов пушки, N. Испытания проводились в следующих условиях: остаточное давление - не выше 0,001 Па, давление рабочего газа (аргон) - 0,04 Па, материал коллектора - нержавеющая сталь марки 12Х18Н10Т, плотность энергии СЭП на коллекторе - от 6 до 12 Дж/см2, облучение проводилось сериями от 30 до 200 выстрелов в одном вакуумном цикле. В качестве материала диафрагмы использовались нержавеющая сталь марки 12Х18Н10Т и медь марки М0Б. Критерием выработки ресурса взрывоэмиссионного катода выбрано увеличение вероятности холостых выстрелов до 10% от общего числа выстрелов.Figure 2, a shows the experimental data on the resource tests of the explosive emission cathode with diaphragms from different materials and in its absence. We specifically investigated the dependence of the probability of idling of the explosive emission cathode η xx on the total number of gun shots, N. The tests were carried out under the following conditions: residual pressure - not higher than 0.001 Pa, working gas pressure (argon) - 0.04 Pa, collector material - stainless steel 12Х18Н10Т, the SEP energy density on the collector was from 6 to 12 J / cm 2 , irradiation was carried out in series from 30 to 200 shots in one vacuum cycle. As the material of the diaphragm, stainless steel of the grade 12X18H10T and copper of the grade M0B were used. The criterion for developing the resource of the explosive emission cathode is an increase in the probability of blank shots up to 10% of the total number of shots.
Из данных Фиг.2,а видно:From the data of Figure 2, a shows:
- использование диафрагмы из нержавеющей стали сокращает ресурс службы взрывоэмиссионного катода примерно в 1,7 раза по сравнению со случаем ее отсутствия;- the use of a stainless steel diaphragm reduces the service life of the explosive emission cathode by about 1.7 times in comparison with the case of its absence;
- использование диафрагмы из меди на сегодняшний момент позволило более чем в три раза превысить ресурс работы катода по сравнению со случаем ее отсутствия и более чем в пять раз по сравнению со случаем диафрагмы из нержавеющей стали. При этом признаков выработки ресурса взрывоэмиссионного катода пока не наблюдается.- the use of a copper diaphragm at the moment has allowed more than three times to exceed the cathode life compared to the case of its absence and more than five times compared to the case of stainless steel diaphragm. At the same time, there are no signs of developing the resource of the explosive emission cathode yet.
Использование медной диафрагмы позволило также осуществить восстановление эмиссионной способности катода. Это иллюстрируется графиком на Фиг.2,б. Первые 1700 выстрелов были сделаны без диафрагмы, и в конце этой серии nxx достигло 10% (участок АВ), поверхность катода оказалась запылена продуктами испарения коллектора (нержавеющая сталь). Затем была установлена медная диафрагма, и после серии в 300 выстрелов (участок ВС) стабильность эмиссии катода резко улучшилась (участок СД). Прямым следствием улучшения эмиссионной способности катода стало повышение стабильности работы электронной пушки.The use of a copper diaphragm also made it possible to restore the emissivity of the cathode. This is illustrated by the graph in Figure 2, b. The first 1,700 rounds were fired without a diaphragm, and at the end of this series n xx reached 10% (AB section), the cathode surface was dusted with collector evaporation products (stainless steel). Then a copper diaphragm was installed, and after a series of 300 shots (aircraft section), the cathode emission stability improved dramatically (CD section). A direct consequence of the improvement in the cathode emission ability was an increase in the stability of the electron gun.
Источники информацииInformation sources
1. Патент РФ №1706329, МПК Н01J 3/02. Способ формирования электронных пучков с помощью взрывоэмиссионной электронной пушки. Г.Е.Озур, Е.М.Оке, Д.И.Проскуровский. Заявл. 09.01.89 // БИ №10, 1994.1. RF patent No. 1706329, IPC H01J 3/02. A method of forming electron beams using an explosive emission electron gun. G.E. Ozur, E.M. Oke, D.I. Proskurovsky. Claim 01/09/89 // BI No. 10, 1994.
2. Патент РФ №2237942, МПК Н01J 3/02. Сильноточная электронная пушка. Г.Е.Озур, Д.И.Проскуровский, К.В.Карлик. Заявл. 24.03.2003 // БИ №28, 2004.2. RF patent No. 2237942, IPC H01J 3/02. High current electronic gun. G.E. Ozur, D.I. Proskurovsky, K.V. Karlik. Claim 03.24.2003 // BI No. 28, 2004.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006113290/28A RU2313848C1 (en) | 2006-04-19 | 2006-04-19 | Heavy-current electron gun |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006113290/28A RU2313848C1 (en) | 2006-04-19 | 2006-04-19 | Heavy-current electron gun |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2006113290A RU2006113290A (en) | 2007-10-27 |
RU2313848C1 true RU2313848C1 (en) | 2007-12-27 |
Family
ID=38955544
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2006113290/28A RU2313848C1 (en) | 2006-04-19 | 2006-04-19 | Heavy-current electron gun |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2313848C1 (en) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2446504C1 (en) * | 2010-08-03 | 2012-03-27 | Учреждение Российской Академии Наук Институт Сильноточной Электроники Сибирского Отделения Ран (Исэ Со Ран) | High-current electron gun |
CN102936714A (en) * | 2012-12-03 | 2013-02-20 | 哈尔滨工业大学 | Device and method for preparing hard carbide ceramic coating based on composite treatment of large-area high-current pulsed electron beam |
RU203107U1 (en) * | 2020-05-14 | 2021-03-22 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук, (ИСЭ СО РАН) | High-current electron gun |
RU2760980C1 (en) * | 2021-04-13 | 2021-12-02 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Explosion emission cathode of electron gun |
RU215162U1 (en) * | 2022-06-02 | 2022-12-01 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук (ИСЭ СО РАН) | HIGH CURRENT ELECTRON GUN WITH A RADIALLY CONVERGENT BEAM |
-
2006
- 2006-04-19 RU RU2006113290/28A patent/RU2313848C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2446504C1 (en) * | 2010-08-03 | 2012-03-27 | Учреждение Российской Академии Наук Институт Сильноточной Электроники Сибирского Отделения Ран (Исэ Со Ран) | High-current electron gun |
CN102936714A (en) * | 2012-12-03 | 2013-02-20 | 哈尔滨工业大学 | Device and method for preparing hard carbide ceramic coating based on composite treatment of large-area high-current pulsed electron beam |
CN102936714B (en) * | 2012-12-03 | 2014-06-11 | 哈尔滨工业大学 | Device and method for preparing hard carbide ceramic coating based on composite treatment of large-area high-current pulsed electron beam |
RU203107U1 (en) * | 2020-05-14 | 2021-03-22 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук, (ИСЭ СО РАН) | High-current electron gun |
RU2760980C1 (en) * | 2021-04-13 | 2021-12-02 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Explosion emission cathode of electron gun |
RU215162U1 (en) * | 2022-06-02 | 2022-12-01 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук (ИСЭ СО РАН) | HIGH CURRENT ELECTRON GUN WITH A RADIALLY CONVERGENT BEAM |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2006113290A (en) | 2007-10-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Oks et al. | Development of plasma cathode electron guns | |
US4737688A (en) | Wide area source of multiply ionized atomic or molecular species | |
US4541890A (en) | Hall ion generator for working surfaces with a low energy high intensity ion beam | |
RU2313848C1 (en) | Heavy-current electron gun | |
Antonovich et al. | Plasma emission systems for electron-and ion-beam technologies | |
RU2446504C1 (en) | High-current electron gun | |
RU2167466C1 (en) | Plasma ion source and its operating process | |
US2956195A (en) | Hollow carbon arc discharge | |
RU2792344C9 (en) | Gas-discharge electron gun controlled by an ion source with closed electron drift | |
RU2792344C1 (en) | Gas-discharge electron gun controlled by an ion source with closed electron drift | |
RU2237942C1 (en) | Heavy-current electron gun | |
RU209138U1 (en) | Fore-vacuum plasma source of a pulsed electron beam based on a contracted arc discharge | |
RU165688U1 (en) | GAS DISCHARGE PLASMA GENERATOR WITH LOW PRESSURE OF IGNITION DISCHARGE | |
RU2306683C1 (en) | Plasma electron source | |
Moskvin et al. | Plasma source for auxiliary anode plasma generation in the electron source with grid plasma cathode | |
SU528386A1 (en) | Sorption Vacuum Pump | |
Yakovlev et al. | Short-pulse breakdown of near-cathode sheath in the presence of a local magnetic field | |
JP2000090844A (en) | Ion source | |
RU2761900C1 (en) | Magnetron sputtering apparatus | |
Belyaev et al. | Magnetron proton source | |
Ozur et al. | Pulsed electron-beam facility with improved purity of the treatment process | |
RU2454046C1 (en) | Plasma electron emitter | |
JPH10275566A (en) | Ion source | |
JP2011204369A (en) | Neutralizer and ion beam device with the same | |
Bugaev et al. | Enhanced electric breakdown strength in an electron-optical system |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
QB4A | Licence on use of patent |
Effective date: 20080516 |
|
QZ41 | Official registration of changes to a registered agreement (patent) |
Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20080516 Effective date: 20110722 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200420 |