RU2816693C1 - Плазменный источник электронов с системой автоматического поджига тлеющего разряда в полом катоде, функционирующий в среднем вакууме - Google Patents
Плазменный источник электронов с системой автоматического поджига тлеющего разряда в полом катоде, функционирующий в среднем вакууме Download PDFInfo
- Publication number
- RU2816693C1 RU2816693C1 RU2023110248A RU2023110248A RU2816693C1 RU 2816693 C1 RU2816693 C1 RU 2816693C1 RU 2023110248 A RU2023110248 A RU 2023110248A RU 2023110248 A RU2023110248 A RU 2023110248A RU 2816693 C1 RU2816693 C1 RU 2816693C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- hollow cathode
- glow discharge
- plasma
- anode
- discharge
- Prior art date
Links
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 claims abstract description 18
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims abstract description 14
- 239000012212 insulator Substances 0.000 claims abstract description 6
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 4
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 claims description 5
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 abstract description 7
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 5
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 abstract description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 2
- 230000008033 biological extinction Effects 0.000 abstract 1
- 238000010304 firing Methods 0.000 abstract 1
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 abstract 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 7
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 5
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 5
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 description 3
- 239000012300 argon atmosphere Substances 0.000 description 1
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 1
- 238000000429 assembly Methods 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000008034 disappearance Effects 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 1
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 1
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000004941 influx Effects 0.000 description 1
- 239000011224 oxide ceramic Substances 0.000 description 1
- 229910052574 oxide ceramic Inorganic materials 0.000 description 1
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 238000005036 potential barrier Methods 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
- 229910000859 α-Fe Inorganic materials 0.000 description 1
Abstract
Изобретение относится к технике получения стационарных (непрерывных) узкосфокусированных пучков электронов в диапазоне давлений среднего вакуума и может быть применено при разработке электронно-лучевых устройств, а также использовано в электронно-лучевой технологии, экспериментальной физике, плазмохимической технологии. Технический результат - обеспечение инициирования и поддержания стабильного горения тлеющего разряда в источнике сфокусированного электронного пучка, функционирующего в среднем вакууме, за счет дополнительно установленного поджигающего электрода, оснащенного системой электропитания с обратной связью. В плазменном источнике, содержащем полый катод, анод и ускоряющий электрод, размещенные соосно на высоковольтных керамических изоляторах, в торце полого катода устанавливают поджигающий электрод, выполненный в виде изолированного металлического стержня, обеспечивающий инициирование и поддержание стабильного горения тлеющего разряда в полом катоде при его самопроизвольном погасании путем подачи поджигающего импульса системой электропитания с обратной связью. 1 ил.
Description
Изобретение относится к технике получения стационарных (непрерывных) узкосфокусированных пучков электронов в диапазоне давлений среднего вакуума и может быть применено при разработке электронно-лучевых устройств, а также использовано в электроннолучевой технологии, экспериментальной физике, плазмохимической технологии.
Известны устройства, предназначенные для генерации электронных пучков путем эмиссии электронов из газоразрядной плазмы [1-2]. Разрядная плазма создается в них при инициировании разряда в газе. Для поддержания разряда между электродами разрядной системы поддерживается напряжение горения. Плазменная эмиссионная граница создается в пределах отверстия, выполняемого в одном из электродов разрядной системы. В электронном источнике с плазменным катодом [2], включающем полый катод, цилиндрический анод, плоский катод-отражатель, расположенный напротив полого катода, фокусирующую систему, эмиссионное отверстие устроено в центре плоского катода-отражателя. Ускоряющее напряжение прикладывается между катодом-отражателем и ускоряющим электродом-экстрактором. Данный источник электронов создает остросфокусированный пучок электронов с энергией 20-40 кэВ при давлении газа в ускоряющем промежутке 1,3×10-3 Па÷1,3×10-2 Па. Инициирование разряда при подаче напряжения между полым катодом и анодом источника обеспечивается перепадом давления в эмиссионном отверстии за счет напуска газа в катодную полость. Недостатком данного устройства является невозможность работы при более высоких давлениях газа. При повышении давления до уровня 1 Па и более указанный источник оказывается неработоспособным из-за возникновения низковольтного разряда между электродами ускоряющего промежутка. Этот разряд вызывает резкое падение напряжения и рост тока нагрузки выпрямителя, питающего ускоряющий промежуток. Указанные эффекты сопровождаются исчезновением пучка.
Процесс инициирования тлеющего разряда в газоразрядном плазменном катоде описан в [3]. Электродная система плазменного катода содержит цилиндрический полый катод с выходной апертурой в форме щели, поджигающий электрод, полый анод и управляющую сетку. Плазменный эмиттер работает следующим образом. После приложения между катодом, поджигающим электродом и анодом напряжения и подачи в катодную полость газа зажигается тлеющий разряд. Использование коаксиальной электродной системы с полым катодом и нитевым поджигающим электродом обеспечивает зажигание разряда при низких давлениях. При подаче напряжения между управляющей сеткой и коллектором пучка осуществляется извлечение электронов и формирование электронного пучка. Недостатком данного устройства является невозможность работы при давлениях среднего вакуума. При повышении давления до уровня 1 Па и более указанный источник оказывается неработоспособным из-за возникновения низковольтного разряда между управляющей сеткой и анодом источника.
Известен плазменный электронный источник [4], содержащий соосные полый катод, анод, ускоряющий электрод, диск из термостойкого неорганического диэлектрика. Эмиссионное отверстие в источнике устанавливают в центре анода и оставляют его не перекрытым диэлектриком, а вокруг эмиссионного отверстия в аноде выполняют окна, перекрытые сеткой с размером ячейки, меньшим радиуса эмиссионного отверстия. Инициирование разряда в полом катоде осуществляется за счет обратного ионного потока, проникающего из ускоряющего промежутка через окна в аноде в разрядную область. Малый размер ячеек сеток, перекрывающих окна, расположенные вокруг эмиссионного отверстия в аноде, существенно снижают электронную эмиссию через эти окна за счет наличия для плазменных электронов потенциального барьера, обусловленного ионным слоем, отделяющим плазму от сетки. Для ионов из ускоряющего промежутка барьер отсутствует, и они беспрепятственно проникают в разрядную область. В связи с указанными обстоятельствами эмиссия электронов из плазмы осуществляется через центральное отверстие в аноде, не перекрытое сеткой. Это позволяет облегчить инициирование разряда в полом катоде и формировать электронный пучок с диаметром в фокальной плоскости не превышающим 1 мм. Недостаток данного технического решения в низком сроке службы сеток перекрывающих окна, расположенные вокруг эмиссионного отверстия в аноде. При формировании электронного пучка в условиях среднего вакуума за счет обратного ионного потока сетки испытывают значительный нагрев и могут разрушаться, что вызывает повышение электронной эмиссии через эти окна и изменение профиля электронного пучка в фокальной плоскости за счет дополнительного потока электронов из окна с разрушенной сеткой.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является плазменный электронный источник [5], содержащий полый катод, анод и ускоряющий электрод, размещенные соосно на керамических изоляторах, один из которых укреплен на фланце. Эмиссионное отверстие в аноде перекрыто мелкоструктурной металлической сеткой. Между анодом и экстрактором установлен керамический диск с отверстием. Указанный источник позволяет получать в форвакууме электронные пучки в отсутствие напуска газа в катодную полость. Инициирование разряда осуществляется за счет обратного ионного потока из ускоряющего промежутка в разрядную область. Существование ионного потока обусловлено слаботочным высоковольтным тлеющим разрядом, имеющим место при подаче напряжения на ускоряющий промежуток в области давлений, соответствующих среднему вакууму.
Техническим результатом заявляемого изобретения является обеспечение инициирования и поддержания стабильного горения тлеющего разряда в плазменном источнике сфокусированного электронного пучка, функционирующего в среднем вакууме, за счет дополнительно установленного поджигающего электрода, оснащенного системой электропитания с обратной связью.
Технический результат достигается тем, что в плазменном источнике непрерывного сфокусированного электронного пучка, основанного на эмиссии электронов из плазмы тлеющего разряда с полым катодом и функционирующего в среднем вакууме, содержащем полый катод, анод и ускоряющий электрод, размещенные соосно на высоковольтных керамических изоляторах, в торце полого катода устанавливают поджигающий электрод в виде изолированного керамической трубкой металлического стержня, предназначенный для инициирования тлеющего разряда с полым катодом путем подачи на поджигающий электрод импульса напряжения системой электропитания с обратной связью, сопровождаемый зажиганием вспомогательного дугового разряда по поверхности диэлектрика, создающего плотную плазму в катодной полости, способствующую установлению горения непрерывного тлеющего разряда с полым катодом по истечении поджигающего импульса.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежом фиг. 1 где, 1 - полый катод, 2 - плоский анод, 3 - экстрактор, 4 - керамический диск с отверстием, 5 - поджигающий электрод, 6- керамическая трубка, 7 - система электропитания с обратной связью, 8 -высоковольтные керамические изоляторы
Схема плазменного источника электронов с системой автоматического поджига тлеющего разряда в полом катоде представлена на фиг. 1. Форвакуумный плазменный источник электронов представляет собой трехэлектродную электроразрядную систему: полый катод 1, плоский анод 2 и экстрактор 3, установленные на высоковольтных керамических изоляторах 7. Все электроды изготовлены из нержавеющей стали. Катод 1 содержит цилиндрическую полость диаметром 25 мм и высотой 70 мм. Анод 2 представляет собой диск толщиной 2 мм с одиночным отверстием 1 мм. Керамический диск с отверстием 4 для прохождения пучка размещен между анодом 2 и ускоряющим электродом 3. Полый катод 1 и плоский анод 2 составляют разрядную систему электронного источника.
Новым элементом по сравнению с прототипом является поджигающий электрод 5, расположенный в торце полого катода 1, изолированный керамической трубкой 6 от полого катода 1, и подключенный к системе электропитания с обратной связью 7, обеспечивающей при погасании основного тлеющего разряда в полом катоде автоматическую подачу высоковольтного импульса напряжения на поджигающий электрод 5.
Электропитание плазменного электронного источника осуществляется от источников постоянного напряжения Ud и Ua, подключаемых к разрядному и ускоряющему промежутку соответственно. Для зажигания основного тлеющего разряда между полым катодом 1 и анодом 2 на поджигающий электрод 5 относительно полого катода 1 от системы электропитания с обратной связью 7 подается импульс напряжения Uign амплитудой 10 кВ и длительностью 150 мс, что обеспечивает зажигание вспомогательного дугового разряда по поверхности диэлектрика (керамической трубки 6) между катодом 1 и поджигающим электродом 5. Образующаяся в результате горения вспомогательного дугового разряда по поверхности диэлектрика плазма в катодной полости способствует дальнейшему переключению вспомогательного дугового разряда по поверхности диэлектрика по истечении импульса напряжения с поджигающего электрода 5 на анод 2 и установлению стационарного тлеющего разряда с полым катодом и генерации эмиссионной плазмы. Формирование электронного пучка происходит в промежутке между анодом 2 и ускоряющим электродом 3 при приложении ускоряющего напряжения в диапазоне 1-20 кВ. Давление рабочего газа в полом катоде и ускоряющем промежутке источника составляет 5-30 Па. При погасании основного тлеющего разряда с полым катодом и, соответствующем повышении напряжения на промежутке анод - катод выше 1000 В, система электропитания с обратной связью 7 автоматически подает импульс напряжения на поджигающий электрод 5, тем самым возобновляя горение основного тлеющего разряда с полым катодом.
В таблице 1 представлены результаты реализации предлагаемого технического решения в сравнении с прототипом. Время непрерывной работы отсчитывалось от момента включения электронного источника и до погасания разряда. Всего на каждый режим работы было проведено по пять включений источника. При указании значений непрерывной работы «более…» время непрерывной работы источника превышало все требуемое время выполнения процесса в указанном режиме.
Таблица 1. Сравнение с прототипом
| № | Режим работы источника электронов | Среднее время непрерывной работы | |
| Прототип | Предлагаемое решение | ||
| 1 | Испарение алюмооксидной керамики, атмосфера кислорода, давление 15 Па | 30 минут | более 1,5 часов |
| 2 | Пучково-плазменная обработка полимеров, атмосфера аргон, давление 10 Па | 40 минуты | более 1 часа |
| 3 | Электронно-лучевая обработка ферритов, атмосфера гелий, давление 30 Па | 35 минут | более 1,5 часов |
| 4 | Сварка металлокерамических узлов, остаточная атмосфера, давление 12 Па | 35 минуты | более 1,5 часов |
Как следует из таблицы 1, среднее время непрерывной работы источника, взятого за прототип, в зависимости от режима работы не превышает 40 минут. В то же время среднее время непрерывной работы предлагаемого изобретения превышает время проведения процесса при различных режимах работы источника.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет достичь цели изобретения, а именно - обеспечение инициирования и поддержания стабильного горения разряда в источнике сфокусированного электронного пучка, функционирующего в среднем вакууме.
Литература
[1] а/с СССР №1140641.
[2] а/с СССР №291652.
[3] патент России №2250577.
[4] патент России №2306683.
[5] патент России №2215383.
Claims (1)
- Плазменный источник непрерывного сфокусированного электронного пучка, основанный на эмиссии электронов из плазмы тлеющего разряда с полым катодом и функционирующий в среднем вакууме, содержащий полый катод, анод и ускоряющий электрод, размещенные соосно на высоковольтных керамических изоляторах, отличающийся тем, что в торце полого катода установлен поджигающий электрод в виде изолированного металлического стержня, предназначенный для инициирования тлеющего разряда с полым катодом вспомогательным дуговым разрядом между катодом и поджигающим электродом.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2816693C1 true RU2816693C1 (ru) | 2024-04-03 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4339691A (en) * | 1979-10-23 | 1982-07-13 | Tokyo Shibaura Denki Kabushiki Kaisha | Discharge apparatus having hollow cathode |
| RU2215383C1 (ru) * | 2002-02-08 | 2003-10-27 | Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники | Плазменный электронный источник |
| RU2389055C2 (ru) * | 2007-08-01 | 2010-05-10 | Анатолий Тимофеевич Неклеса | Способ автоматического регулирования режимом работы плазмотрона и установка для его осуществления |
| CN112682286A (zh) * | 2020-12-11 | 2021-04-20 | 中国电子科技集团公司第十二研究所 | 一种高可靠性电推进用空心阴极结构 |
| RU209138U1 (ru) * | 2021-05-25 | 2022-02-02 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники» | Форвакуумный плазменный источник импульсного электронного пучка на основе контрагированного дугового разряда |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4339691A (en) * | 1979-10-23 | 1982-07-13 | Tokyo Shibaura Denki Kabushiki Kaisha | Discharge apparatus having hollow cathode |
| RU2215383C1 (ru) * | 2002-02-08 | 2003-10-27 | Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники | Плазменный электронный источник |
| RU2389055C2 (ru) * | 2007-08-01 | 2010-05-10 | Анатолий Тимофеевич Неклеса | Способ автоматического регулирования режимом работы плазмотрона и установка для его осуществления |
| CN112682286A (zh) * | 2020-12-11 | 2021-04-20 | 中国电子科技集团公司第十二研究所 | 一种高可靠性电推进用空心阴极结构 |
| RU209138U1 (ru) * | 2021-05-25 | 2022-02-02 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники» | Форвакуумный плазменный источник импульсного электронного пучка на основе контрагированного дугового разряда |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Oks et al. | Development of plasma cathode electron guns | |
| JP2821789B2 (ja) | 遠隔イオン源プラズマ電子銃 | |
| US4714860A (en) | Ion beam generating apparatus | |
| US6541915B2 (en) | High pressure arc lamp assisted start up device and method | |
| SE8801145L (sv) | Jonplasmaelektronkanon med dosrat-styranordning via amplitudmodulering av plasmaurladdningen | |
| RU2816693C1 (ru) | Плазменный источник электронов с системой автоматического поджига тлеющего разряда в полом катоде, функционирующий в среднем вакууме | |
| US20050116653A1 (en) | Plasma electron-emitting source | |
| RU2313848C1 (ru) | Сильноточная электронная пушка | |
| RU2654494C1 (ru) | Вакуумный искровой разрядник | |
| RU209138U1 (ru) | Форвакуумный плазменный источник импульсного электронного пучка на основе контрагированного дугового разряда | |
| RU2306683C1 (ru) | Плазменный электронный источник | |
| RU2215383C1 (ru) | Плазменный электронный источник | |
| Kovarik et al. | Initiation of hot cathode arc discharges by electron confinement in Penning and magnetron configurations | |
| RU2759425C1 (ru) | Плазменный эмиттер импульсного форвакуумного источника электронов на основе дугового разряда | |
| RU2237942C1 (ru) | Сильноточная электронная пушка | |
| RU2758497C1 (ru) | Ускоряющий промежуток импульсного форвакуумного источника электронов на основе дугового разряда | |
| RU2035789C1 (ru) | Способ получения пучка ускоренных частиц в технологической вакуумной камере | |
| Moskvin et al. | Plasma source for auxiliary anode plasma generation in the electron source with grid plasma cathode | |
| RU2091991C1 (ru) | Вторично-эмиссионный ускоритель электронов | |
| RU2654493C1 (ru) | Вакуумный разрядник | |
| RU2777038C1 (ru) | Газоразрядная электронно-лучевая пушка | |
| RU222392U1 (ru) | Форвакуумный плазменный источник ленточного пучка электронов, функционирующий в широком диапазоне рабочих давлений | |
| Bakeev et al. | Hollow Cathode Glow Discharge Initiation in a Fore-Vacuum Plasma–Cathode Electron Source | |
| RU2725788C1 (ru) | Устройство для поверхностной обработки металлических и металлокерамических изделий | |
| RU203107U1 (ru) | Сильноточная электронная пушка |