RU2454046C1

RU2454046C1 - Plasma electron emitter

Info

Publication number: RU2454046C1
Application number: RU2011101267/07A
Authority: RU
Inventors: Владимир Яковлевич Мартенс (RU); Владимир Яковлевич Мартенс; Евгений Федорович Шевченко (RU); Евгений Федорович Шевченко
Priority date: 2011-01-13
Filing date: 2011-01-13
Publication date: 2012-06-20

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: invention relates to equipment for producing electron beams with a large cross-sectional area and can be used in electron sources. In the plasma electron emitter, the diameter of the coupling hole d_k in the flat cathode is increased such that the condition l_k<<d_k≤d_a is satisfied (where I_k is the length of the cathode potential drop, d_a is the inner diameter of the cylindrical anode), and the former is made either from dielectric material or, if made from metal, is electrically insulated from the rest of the electrodes.

EFFECT: high energy-efficiency and longer time for continuous operation of the plasma electron emitter.

3 dwg

Description

Изобретение относится к технике получения электронных пучков с большим поперечным сечением и может быть использовано в источниках электронов для электронно-лучевых технологий в электронике и машиностроении.The invention relates to techniques for producing electron beams with a large cross section and can be used in electron sources for electron beam technologies in electronics and mechanical engineering.

Известен плазменный эмиттер электронов (Мартенс В.Я. Диссертация на соискание ученой степени д. т.н. «Объемная стационарная плазма малой плотности и ее использование для получения электронных и ионных пучков большого сечения», Ставрополь, 2002 г., с.116-117; дата поступления в библиотеку 30.01.2003 г.). Известный эмиттер позволяет получать пучки электронов с большим поперечным сечением с использованием плазмы тлеющего разряда в широком диапазоне давлений газа (1-10^-3 Па) и характеризуется непрерывным действием и простой конструкцией, не требующей использования накаленных элементов. Известный эмиттер содержит полый катод, цилиндрический анод, магнит, плоский катод с отверстием связи, формирователь плазмы в виде полого цилиндра и кольцевой электрод для управления равномерностью радиального распределения плотности эмитирующей плазмы. Существенным недостатком указанного устройства является низкая плотность тока эмиссии, связанная с потерей электронов на формирователе и кольцевом электроде, так как на эти электроды подается положительный электрический потенциал.A well-known plasma emitter of electrons (Martens V.Ya. The dissertation for the scientific degree of the so-called so-called “Volumetric stationary plasma of low density and its use for obtaining electron and ion beams of large cross section”, Stavropol, 2002, p.116- 117; date of entry to the library 01/30/2003). The known emitter allows to obtain electron beams with a large cross-section using glow discharge plasma in a wide range of gas pressures (1-10 ^-3 Pa) and is characterized by continuous action and a simple design that does not require the use of glowing elements. The known emitter comprises a hollow cathode, a cylindrical anode, a magnet, a flat cathode with a communication hole, a plasma shaper in the form of a hollow cylinder and a ring electrode for controlling the uniformity of the radial distribution of the density of the emitting plasma. A significant disadvantage of this device is the low emission current density associated with the loss of electrons on the shaper and the ring electrode, since a positive electric potential is supplied to these electrodes.

Наиболее близким по технической сущности является плазменный эмиттер электронов (Крейндель Ю.Е., Мартенс В.Я., Съедин В.Я., Гавринцев С.В. Электронная пушка непрерывного действия с плазменным катодом большой площади - Приборы и техника эксперимента, 1982, №4, с.178-180), показанный на фиг.1.The closest in technical essence is a plasma electron emitter (Kreindel Yu.E., Martens V.Ya., Sjedin V.Ya., Gavrintsev S.V. Electron gun of continuous operation with a large-area plasma cathode - Instruments and experimental equipment, 1982, No. 4, p. 178-180), shown in figure 1.

Известное устройство содержит полый катод 1, цилиндрический анод 2, магнит 3, плоский катод 4 с отверстием связи, формирователь (экспандер) 5, перераспределяющий элемент 6, эмиссионный электрод 7 (металлическая сетка). При подаче напряжения от блока питания 8 на электроды разрядной камеры между катодами 1, 4 и цилиндрическим анодом 2 зажигается отражательный разряд. Через отверстие связи диаметром d_k около 4 мм плазма отражательного разряда проникает в формирователь 5. Возможны два режима создания плазмы в формирователе электронного эмиттера (Мартенс В.Я. Проникновение плазмы из отражательного разряда в полый электрод при низком давлении газа. Журнал технической физики, 2002, т.72, вып.11, с.44-51; Крейндель Ю.Е.; Мартенс В.Я., Съедин В.Я. Исследование плазмы электронного эмиттера непрерывного действия с большой эмитирующей поверхностью. Источники электронов с плазменным эмиттером. - Новосибирск, Наука, 1983, с 25-33). При давления газа в формирователе р≥5×10^-2 Па реализуется режим работы эмиттера, называемый режимом объемного разряда. Для этого режима характерна высокая энергетическая эффективность. Однако высокое давление газа не позволяет использовать этот режим работы в качестве основного при работе эмиттера в реальных источниках электронов из-за уменьшения электрической прочности ускоряющего промежутка. Поэтому основным режимом работы рассматриваемого эмиттера является режим электронного пучка, который реализуется при пониженном давлении газа в формирователе р~10^-2 Па и потенциалах формирователя 5, превышающих потенциал плазмы в отверстии связи. В этом режиме электроны проникающей плазмы, ускоренные электрическим полем в сторону формирователя 5 и эмиссионного электрода 7, создают внутри формирователя 5 эмитирующую плазму. При подаче ускоряющего напряжения вблизи эмиссионного электрода 7 формируется эмитирующая поверхность плазмы. Для улучшения равномерности распределения плотности тока по поверхности эмиттера на оси формирователя 5 размещается перераспределяющий элемент 6, представляющий собой тело вращения. Устройство нашло применение в микроэлектронике, машиностроении и других областях, где не требуются высокие электронные токи, однако предъявляются высокие требования к чистоте обрабатываемой поверхности и вследствие этого не допускается использование дуговых разрядов с эрозией и испарением электродов. Недостатком этого устройства является низкая энергетическая эффективность, связанная с ограниченным выходом заряженных частиц из отражательного разряда через отверстие связи малого диаметра, а также потерями электронов на формирователе 5. Другим недостатком является постепенное увеличение диаметра отверстия связи d_k вследствие катодного распыления, что приводит к изменению технологических рабочих параметров известного устройства и требует периодической замены катодной вставки с отверстием связи.The known device comprises a hollow cathode 1, a cylindrical anode 2, a magnet 3, a flat cathode 4 with a communication hole, a shaper (expander) 5, a redistributing element 6, an emission electrode 7 (metal mesh). When applying voltage from the power supply unit 8 to the electrodes of the discharge chamber between the cathodes 1, 4 and the cylindrical anode 2, a reflective discharge is ignited. Through a communication hole with a diameter of d _{k of} about 4 mm, the plasma of the reflective discharge penetrates into the former 5. The plasma can be created in the electron emitter (Martens V.Ya. Penetration of plasma from the reflective discharge into a hollow electrode at low gas pressure. Journal of Technical Physics, 2002 , v. 72, no. 11, pp. 44-51; Kreindel, Yu.E .; Martens, V.Ya., Sjedin, V.Ya. Investigation of a plasma of an electron emitter of continuous action with a large emitting surface, Electron sources with a plasma emitter. Novosibirsk, Nauka, 1983, pp. 25-33) . When the gas pressure in the shaper p≥5 × 10 ^-2 Pa, the emitter operating mode, called the volume discharge mode, is realized. This mode is characterized by high energy efficiency. However, the high gas pressure does not allow this mode of operation to be used as the main one when the emitter operates in real electron sources due to a decrease in the electric strength of the accelerating gap. Therefore, the main mode of operation of the emitter in question is the electron beam mode, which is realized at a reduced gas pressure in the shaper p ~ 10 ^-2 Pa and shaper potentials 5 exceeding the plasma potential in the communication hole. In this mode, the penetrating plasma electrons accelerated by the electric field towards the former 5 and the emission electrode 7 create an emitting plasma inside the former 5. When applying an accelerating voltage near the emission electrode 7, an emitting plasma surface is formed. To improve the uniformity of the distribution of current density over the surface of the emitter on the axis of the shaper 5 is placed redistributing element 6, which is a body of revolution. The device has found application in microelectronics, mechanical engineering and other areas where high electronic currents are not required, however, high demands are placed on the cleanliness of the surface being treated and, as a result, the use of arc discharges with erosion and evaporation of electrodes is not allowed. The disadvantage of this device is the low energy efficiency associated with the limited exit of charged particles from the reflective discharge through the communication hole of small diameter, as well as the loss of electrons on the shaper 5. Another disadvantage is the gradual increase in the diameter of the communication hole d _k due to cathodic sputtering, which leads to a change in technological operating parameters of the known device and requires periodic replacement of the cathode insert with a communication hole.

Задачей изобретения является создание плазменного эмиттера электронов, в котором увеличена энергетическая эффективность, а технологические рабочие параметры устройства характеризуются высокой временной стабильностью.The objective of the invention is the creation of a plasma electron emitter, which increased energy efficiency, and the technological operating parameters of the device are characterized by high temporal stability.

Техническим результатом изобретения является увеличение энергетической эффективности за счет увеличения плотности тока эмиссии при одинаковой (по сравнению с прототипом) потребляемой мощности и времени непрерывной работы плазменного эмиттера электронов.The technical result of the invention is to increase energy efficiency by increasing the emission current density with the same (compared with the prototype) power consumption and continuous operation time of the plasma electron emitter.

Указанный технический результат достигается тем, что в плазменном эмиттере электронов, содержащем осесимметричные детали: полый катод, цилиндрический анод с внутренним диаметром d_a, магнит, плоский катод с отверстием связи, формирователь в виде полого цилиндра, перераспределяющий элемент, эмиссионный электрод, находящийся под положительным относительно катодов потенциалом, согласно изобретению диаметр отверстия связи d_k в плоском катоде увеличен, так что выполняется условие l_k << d_k ≤ d_a (где l_k - длина катодного падения потенциала), а формирователь либо выполнен из диэлектрического материала, либо, если он выполнен из металла, электрически изолирован от остальных электродов.The specified technical result is achieved by the fact that in a plasma electron emitter containing axisymmetric parts: a hollow cathode, a cylindrical anode with an inner diameter d _a , a magnet, a flat cathode with a communication hole, a shaper in the form of a hollow cylinder, a redistributing element, an emission electrode under a positive potential relative to the cathodes, according to the invention, the diameter d _k connection openings in a flat cathode is increased, so that the condition _{_{_{l k << d k ≤ d a}}} ( where l _k - length of the cathode potential drop), and the odds irovatel either made of a dielectric material, or if it is made of metal, electrically insulated from the other electrodes.

Изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

На фиг.2 представлена принципиальная схема предлагаемого плазменного эмиттера электронов: 1 - полый катод, 2 - цилиндрический анод, 3 - кольцевой магнит, 4 - плоский катод, 5 - формирователь, 6 - перераспределяющий элемент, 7 - эмиссионный электрод, 8 - блок питания.Figure 2 presents a schematic diagram of the proposed plasma electron emitter: 1 - hollow cathode, 2 - cylindrical anode, 3 - ring magnet, 4 - flat cathode, 5 - shaper, 6 - redistributing element, 7 - emission electrode, 8 - power supply .

На фиг.3 приведены зависимости тока I₂ на формирователь 5 и эмиссионный электрод 7 от поданного на них напряжения U₂ при давлении газа (воздуха) р=20 мПа, токе на анод 2 I₁=200 мА и различных диаметрах отверстия связи d_k:1) d_k=3.5 мм (участок С-D соответствует режиму электронного пучка), 2) d_k=7 мм.Figure 3 shows the dependence of the current I ₂ on the shaper 5 and the emission electrode 7 on the voltage U ₂ supplied to them at a gas (air) pressure of p = 20 MPa, current to the anode 2 I ₁ = 200 mA and various diameters of the communication hole d _k : 1) d _k = 3.5 mm (the CD section corresponds to the electron beam regime), 2) d _k = 7 mm.

Положительный эффект достигается за счет того, что, как показали исследования, работа эмиттера при низких давлениях газа (~2×10^-2 Па) возможна не только в режиме электронного пучка (кривая 1 на фиг.3), но и в режиме объемного разряда (кривая 2 на фиг.3). Для зажигания и поддержания объемного разряда при низких давлениях газа необходимо увеличение диаметра отверстия связи d_k. Объемный разряд замыкается на эмиссионный электрод 7 и формирователь 5, который в прототипе находится под анодным потенциалом. Для уменьшения потерь электронов на формирователе 5 в предлагаемом устройстве эта деталь изготовлена из диэлектрического материала. По этой же причине, если формирователь 5 выполнен из металла, он должен быть электрически изолирован от остальных электродов. Высокая плотность эмиссионного тока в предлагаемом устройстве достигается за счет того, что основной ток объемного разряда замыкается на эмиссионный электрод 7. Это объясняется влиянием сразу нескольких факторов: во-первых, эмиссионный электрод 7 имеет положительный анодный потенциал, во-вторых, эмиссионный электрод 7 находится на наибольшем расстоянии от катодов, а разряд низкого давления всегда стремится замыкаться на наиболее удаленный анод, в-третьих, ток на цилиндрический анод 2 ограничен балластным сопротивлением, в-четвертых, снижены потери тока на формирователь 5, так как он не является токопроводящим элементом. Чем больше диаметр отверстия связи d_k, тем больше площадь его внутренней поверхности и тем соответственно меньше плотность тока ионов, распыляющих внутреннюю поверхность отверстия. Кроме того, дальнейшее незначительное увеличение d_k не влияет на изменение рабочих параметров столь же существенно как в прототипе. Таким образом, увеличение d_k по сравнению с прототипом обеспечивает зажигание объемного разряда низкого давления и повышение времени непрерывной работы устройства. Однако увеличение d_k имеет предел. При d_k > d_a (где d_a - диаметр цилиндрического анода 2) нарушаются условия горения отражательного разряда из-за ослабления в нем магнитного поля, уменьшения давления газа и уменьшения количества отраженных электронов.A positive effect is achieved due to the fact that, as studies have shown, emitter operation at low gas pressures (~ 2 × 10 ^-2 Pa) is possible not only in the electron beam mode (curve 1 in Fig. 3), but also in the volume discharge mode (curve 2 in figure 3). To ignite and maintain a volume discharge at low gas pressures, an increase in the diameter of the coupling hole d _k is necessary. The volume discharge is closed on the emission electrode 7 and the shaper 5, which in the prototype is under the anode potential. To reduce the loss of electrons on the shaper 5 in the proposed device, this part is made of dielectric material. For the same reason, if the shaper 5 is made of metal, it must be electrically isolated from the remaining electrodes. The high density of the emission current in the proposed device is achieved due to the fact that the main current of the volume discharge is closed to the emission electrode 7. This is due to the influence of several factors at once: firstly, the emission electrode 7 has a positive anode potential, and secondly, the emission electrode 7 is at the greatest distance from the cathodes, and the low-pressure discharge always tends to close to the most distant anode, thirdly, the current to the cylindrical anode 2 is limited by ballast resistance, fourthly, from below enes loss current generator 5, since it is not conducting member. The larger the diameter of the communication hole d _k , the larger the area of its inner surface and the correspondingly lower the current density of the ions spraying the inner surface of the hole. In addition, a further slight increase in d _k does not affect the change in operating parameters as significantly as in the prototype. Thus, the increase in d _k compared with the prototype provides the ignition of a volume discharge of low pressure and increase the time of continuous operation of the device. However, the increase in d _k has a limit. When d _k > d _a (where d _a is the diameter of the cylindrical anode 2), the conditions for the combustion of the reflective discharge are violated due to the weakening of the magnetic field in it, a decrease in gas pressure, and a decrease in the number of reflected electrons.

Плазменный эмиттер электронов работает следующим образом.The plasma electron emitter operates as follows.

При подаче газа в полый катод 1 и напряжения на электроды от блока питания 8 между катодами 1 и 4 и анодом 2 зажигается открытый отражательный разряд. Разряд является открытым, так как диаметр отверстия связи d_k по сравнению с аналогичным параметром в прототипе увеличен, так что удовлетворяется условие d_k >> 1_k (Источники заряженных частиц с плазменным эмиттером. Екатеринбург. УИФ "Наука". 1993. ред. П.М.Щанин. с.107-112). Плазма открытого разряда проникает в формирователь 5, в результате чего зажигается объемный разряд, анодом которого является эмиссионный электрод 7, на который приходится основная доля тока, что обуславливает высокую плотность тока эмиссии. Перераспределяющий элемент 6, как и в прототипе, служит для достижения равномерного распределения плотности тока эмиссии. Эмиссионный электрод закрепляется снаружи формирователя 5 во избежание нежелательных эффектов, связанных с запылением внутренней поверхности формирователя проводящей пленкой и установлением электрического контакта эмиссионный электрод 7 - формирователь 5. Таким образом, предлагаемое устройство, в отличие от прототипа, работает в режиме объемного разряда, причем эмиссионный электрод является основным анодом разряда, что позволяет получить высокую плотность эмиссионного тока при низкой потребляемой мощности и низком напряжении разряда (U_p=300-400 В).When gas is supplied to the hollow cathode 1 and the voltage to the electrodes from the power supply 8 between the cathodes 1 and 4 and the anode 2, an open reflective discharge is ignited. The discharge is open, since the diameter of the communication hole d _{k is} increased in comparison with the same parameter in the prototype, so that the condition d _k >> 1 _k (Sources of charged particles with a plasma emitter. Yekaterinburg. UIF "Science". 1993. as amended by P . M. Shchanin. P. 107-112). An open discharge plasma penetrates the former 5, as a result of which a volume discharge is ignited, the anode of which is the emission electrode 7, which accounts for the bulk of the current, which leads to a high emission current density. The redistributing element 6, as in the prototype, serves to achieve a uniform distribution of the emission current density. The emission electrode is fixed outside the former 5 to avoid undesirable effects associated with dusting the inner surface of the former with a conductive film and the electrical contact is established. The emission electrode 7 is the former 5. Thus, the proposed device, unlike the prototype, operates in a volume discharge mode, and the emission electrode is the main anode of the discharge, which allows to obtain a high density of the emission current at low power consumption and low discharge voltage and (U _p = 300-400 C).

Claims

A plasma electron emitter containing axisymmetric parts: a hollow cathode, a cylindrical anode with an inner diameter d _a , a magnet, a flat cathode with a communication hole, a shaper in the form of a hollow cylinder, a redistributing element, an emission electrode under a potential positive relative to the cathodes, characterized in that communication hole diameter d _k in a plane cathode is increased so that the condition l _{_k} << d _k ≤d _a (where l _k - length of the cathode potential drop), and a shaper made of a dielectric material, n bo, if it is made of metal, electrically insulated from the other electrodes.