RU41387U1 - EXPLOSIVE EMISSION CATHODE OF A HIGH-CURRENT ELECTRON ACCELERATOR - Google Patents
EXPLOSIVE EMISSION CATHODE OF A HIGH-CURRENT ELECTRON ACCELERATORInfo
- Publication number
- RU41387U1 RU41387U1 RU2004115910/22U RU2004115910U RU41387U1 RU 41387 U1 RU41387 U1 RU 41387U1 RU 2004115910/22 U RU2004115910/22 U RU 2004115910/22U RU 2004115910 U RU2004115910 U RU 2004115910U RU 41387 U1 RU41387 U1 RU 41387U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cathode
- emission
- electron
- current
- open
- Prior art date
Links
Landscapes
- Particle Accelerators (AREA)
Abstract
Взрывоэмиссионный катод сильноточного ускорителя электронов, выполненный из углеродсодержащего материала и электрически связанный с источником питания, отличающийся тем, что в качестве материала для выполнения катода использован открытопористый стеклоуглеродный материал.The explosion-emission cathode of a high-current electron accelerator made of a carbon-containing material and electrically connected to a power source, characterized in that an open-porous glassy carbon material is used as the material for the cathode.
Description
Предлагаемое устройство относится к сильноточной импульсной технике и может быть использовано при создании ускорителей электронов, источников мощных рентгеновских и СВЧ-импульсов.The proposed device relates to high-current pulsed technology and can be used to create electron accelerators, sources of powerful x-ray and microwave pulses.
Известны сильноточные ускорители, в которых источником электронов являются различные металлы, такие как медь, вольфрам, молибден: (1. Мощные наносекундные импульсы рентгеновского излучения /Г.А.Месяц, С.А.Иванов, Н.И.Комяк, Е.А.Пеликс//Москва, Энергоатомиздат, 1983, стр.68; 2. Интенсивные электронные пучки/ Е.А.Абрамян, Б.А.Альтеркоп, Г.Д.Кулешов// Москва, Энергоатомиздат, 1984, стр.9, 186).High-current accelerators are known in which various metals, such as copper, tungsten, and molybdenum, are the electron source: (1. Powerful nanosecond pulses of X-ray radiation / G.A. Mesyats, S.A. Ivanov, N.I. Komyak, E.A. .Pelix // Moscow, Energoatomizdat, 1983, p. 68; 2. Intensive electron beams / E. A. Abramyan, B. A. Alterkop, G. D. Kuleshov // Moscow, Energoatomizdat, 1984, p. 9, 186 )
Известны также мощные генераторы СВЧ-излучения, в ускорителях электронов которых в качестве материалов для выполнения взрывоэмиссионных катодов используют углеродсодержащие материалы. (3. Теоретические и экспериментальные исследования СВЧ-приборов с виртуальным катодом / В.Д.Селемир, Б.В.Алехин, В.Е.Ватрунин и др. // Физика плазмы, 1994, том 20, №7, 8 стр.689-708; 4. Experimental study of virtual cathode oscillator in uniform magnetic field / K.G.Kostov, N.A.Nikolov at. al. // Appl. Phys. Lett. 60 (21), 1992, p.2548.)Powerful microwave radiation generators are also known, in the electron accelerators of which carbon-containing materials are used as materials for performing explosive emission cathodes. (3. Theoretical and experimental studies of microwave devices with a virtual cathode / V.D. Selemir, B.V. Alekhin, V.E. Vatrunin, etc. // Plasma Physics, 1994, Volume 20, No. 7, 8 pp. 689-708; 4. Experimental study of virtual cathode oscillator in uniform magnetic field / KGKostov, NANikolov at. Al. // Appl. Phys. Lett. 60 (21), 1992, p.2548.)
В основе генерации сильноточных высокоэнергетичных электронных пучков лежит явление взрывной электронной эмиссии. Суть этого явления заключается в том, что при приложении к анод-катодному промежутку ускорителя электрического поля с напряженностью более 200-300 кВ/см происходит разогрев и взрыв микронеоднородностей на поверхности катода. Образующаяся при микровзрывах плазма и служит источником электронов в сильноточных ускорителях. Образующиеся после микровзрывов микрократеры на поверхности катода в дальнейшем служат эмиссионными The generation of high-current high-energy electron beams is based on the phenomenon of explosive electron emission. The essence of this phenomenon is that when an electric field accelerator with a strength of more than 200-300 kV / cm is applied to the anode-cathode gap, heating and explosion of microinhomogeneities on the cathode surface occurs. The plasma formed during microexplosions serves as a source of electrons in high-current accelerators. Microcraters formed after microexplosions on the cathode surface subsequently serve as emission
центрами. Следует отметить, что реализуемые на основе взрывной эмиссии уровни плотности тока могут составлять более 109 А/см2, что недостижимо при других видах электронной эмиссии: термоэлектронной и автоэмиссии. Опыт многолетних исследований и эксплуатации ускорителей показал, что металлические катоды (нержавеющая сталь, вольфрам, молибден и др.) в основном используются в виде острий т.е. когда эмитирующей поверхностью является либо острие (или их набор), либо лезвий.centers. It should be noted that current density levels realized on the basis of explosive emission can be more than 10 9 A / cm 2 , which is unattainable with other types of electronic emission: thermionic and field emission. The experience of many years of research and operation of accelerators has shown that metal cathodes (stainless steel, tungsten, molybdenum, etc.) are mainly used in the form of tips, i.e. when the emitting surface is either a point (or a set of them) or blades.
При необходимости формирования электронных пучков с большой площадью применяются, как правило, катоды на основе углеродсодержащих материалов. Недостатками таких традиционных катодов, работающих в составе сильноточных ускорителей в импульсно-периодическом режиме, является нестабильность эмиссии от импульса к импульсу и неравномерность распределения ее по площади катода. Это обусловлено как негативным влиянием на эмиссионную способность продуктов распыления пучком анода и вакуумной камеры, так и принципиальными причинами, связанными с механизмом генерации пучка при взрывной эмиссии за счет образования новых эмиссионных центров в предыдущих импульсах.If it is necessary to form electron beams with a large area, cathodes based on carbon-containing materials are used, as a rule. The disadvantages of such traditional cathodes operating in high-current accelerators in a pulse-periodic mode are the instability of the emission from pulse to pulse and the uneven distribution of it over the cathode area. This is due to both the negative effect on the emission ability of the sputtering products of the anode beam and the vacuum chamber, and the fundamental reasons associated with the mechanism of beam generation during explosive emission due to the formation of new emission centers in previous pulses.
За прототип выбран сильноточный взрывоэмиссионный катод ускорителя электронов, входящий в состав мощного СВЧ-генератора. (Теоретические и экспериментальные исследования СВЧ-приборов с виртуальным катодом / В.Д.Селемир, Б.В.Алехин, В.Е.Ватрунин и др. // Физика плазмы, 1994, том 20, №7, 8 стр.689-708).A high-current explosion-emission cathode of the electron accelerator, which is part of a powerful microwave generator, was selected as the prototype. (Theoretical and experimental studies of microwave devices with a virtual cathode / V.D.Selemir, B.V. Alekhin, V.E. Vatrunin and others // Plasma Physics, 1994, Volume 20, No. 7, 8 pp. 689- 708).
В ускорителе прототипа в качестве источника электронов применен взрывоэмиссионный катод в виде плоского диска диаметром 20...40 мм из углеродсодержащего материала, электрически связанный с источником питания. Структура поверхности катода прототипа представляет собой совокупность спрессованных между собой мелкодисперсных частиц графита.In the prototype accelerator, an explosive emission cathode in the form of a flat disk with a diameter of 20 ... 40 mm from a carbon-containing material electrically connected to a power source was used as an electron source. The surface structure of the cathode of the prototype is a combination of finely dispersed graphite particles pressed together.
Недостатком данной конструкции является невозможность обеспечить требующуюся стабильность тока электронов и равномерность их эмиссии по площади катода. Следует отметить, что эмиссионные центры в данном The disadvantage of this design is the inability to provide the required stability of the electron current and the uniformity of their emission over the cathode area. It should be noted that emission centers in this
случае формируются в процессе работы катода. Как следствие, в устройствах на основе ускорителей, выполненных по схеме прототипа, например, в мощных СВЧ-генераторах, рентгеновских аппаратах, лазерах с пучковым возбуждением активной среды наблюдается нестабильность выходных характеристик от импульса к импульсу.case are formed during cathode operation. As a result, in devices based on accelerators made according to the prototype scheme, for example, in high-power microwave generators, x-ray machines, lasers with beam excitation of the active medium, the output characteristics from pulse to pulse are unstable.
Известно, что взрывоэмиссионные катоды в мощных ускорителях формируют сильноточные электронные пучки. При бомбардировке ими поверхностей анода и вакуумной камеры образуется высокотемпературная плазма, ионы которой, оседая на поверхности катода, загрязняют ее, существенно ухудшая, таким образом, эмиссионную способность. В результате наблюдается нестабильность амплитуды тока электронного пучка и растет неоднородность эмиссии электронов по площади катода. Эти процессы с неизбежностью ведут к снижению параметров устройств, в которых используются электронные ускорители.It is known that explosive emission cathodes in high-power accelerators form high-current electron beams. When they bombard the surfaces of the anode and the vacuum chamber, a high-temperature plasma is formed, the ions of which, deposited on the surface of the cathode, pollute it, thereby significantly impairing the emissivity. As a result, the amplitude of the electron beam current is unstable and the inhomogeneity of electron emission over the cathode area increases. These processes inevitably lead to a decrease in the parameters of devices that use electronic accelerators.
Задача состоит в совершенствовании катодного узла сильноточного ускорителя электронов.The task is to improve the cathode assembly of a high-current electron accelerator.
Технический результат заключается в повышении стабильности амплитуды и равномерности распределения тока электронного пучка по площади катода.The technical result consists in increasing the stability of the amplitude and uniformity of the distribution of the electron beam current over the cathode area.
Технический результат достигается тем, что, в отличие от известного взрывоэмиссионного катода, выполненного из углеродсодержащего материала и электрически связанного с источником питания, в предлагаемом устройстве в качестве материала для выполнения катода использован открытопористый стеклоуглеродный материал.The technical result is achieved by the fact that, in contrast to the known explosive emission cathode made of a carbon-containing material and electrically connected to a power source, the proposed device uses open-porous glassy carbon material as the material for the cathode.
Структура предлагаемого для использования материала представляет собой совокупность открытых пор, разделенных стеклоуглеродными перегородками, обращенными торцами к поверхности. Особенности при использовании данного материала в качестве материала взрывоэмиссионного катода перед материалом прототипа заключаются в том, что поверхность открытопористого стеклоуглеродного материала резко неоднородна и The structure of the material proposed for use is a collection of open pores, separated by glassy carbon partitions, facing the ends to the surface. Features when using this material as the material of the explosive emission cathode before the material of the prototype are that the surface of the open-porous glassy carbon material is sharply inhomogeneous and
содержит множество тонких углеродных перегородок, обращенных торцами к поверхности. Естественно предположить, что они могут при подключении катода к источнику питания играть роль эмиссионных центров и нет необходимости формировать их в процессе предыдущих импульсов. Причем эти центры распределены по площади катода достаточно равномерно. Высокая пористость предлагаемого материала позволяет эффективно поглощать продукты распыления анода и стенок вакуумной камеры без ухудшения эмиссионных свойств катода в процессе работы.contains many thin carbon partitions, facing the ends to the surface. It is natural to assume that they can play the role of emission centers when the cathode is connected to a power source and there is no need to form them in the process of previous pulses. Moreover, these centers are distributed fairly uniformly over the cathode area. The high porosity of the proposed material allows you to effectively absorb the spray products of the anode and the walls of the vacuum chamber without compromising the emission properties of the cathode during operation.
Таким образом, особенность свойств открытопористого стеклоуглеродного материала позволяет предположить возможность использования его в качестве материала катода с точки зрения формирования катодом стабильного по амплитуде и равномерного распределения тока электронного пучка по площади катода.Thus, the feature of the properties of open-porous glassy carbon material suggests the possibility of using it as a cathode material from the point of view of the cathode forming a stable and uniform distribution of the electron beam current over the cathode area.
На фиг.1 представлена фотография поверхности данного материала, выполненная с помощью электронного микроскопа.Figure 1 presents a photograph of the surface of this material, made using an electron microscope.
На фиг.2 изображена схема СВЧ-генератора на основе сильноточного ускорителя электронов с взрывоэмиссионным катодом, выполненным из открытопористого стеклоуглеродного материалаFigure 2 shows a diagram of a microwave generator based on a high-current electron accelerator with an explosive emission cathode made of open-porous glassy carbon material
где:Where:
1 - источник питания;1 - power source;
2 - взрывоэмиссионный катод из открытопористого стеклоуглеродного материала;2 - an explosive emission cathode of open-porous glassy carbon material;
3 - анод в виде сетки;3 - anode in the form of a grid;
4 - параболическая камера дрейфа;4 - parabolic drift chamber;
5 - выходное окно.5 - output window.
На фиг.3 представлены осциллограммы токов электронов ускорителя (верхний луч) и СВЧ-импульсов (нижний луч) СВЧ-генератора с взрывоэмиссионным катодом из реакторного графита.Figure 3 presents the oscillograms of the electron currents of the accelerator (upper beam) and microwave pulses (lower beam) of a microwave generator with an explosion-emission cathode from reactor graphite.
На фиг.4 представлены осциллограммы токов электронов ускорителя (верхний луч) и СВЧ-импульсов (нижний луч) СВЧ-генератора с Figure 4 presents the oscillograms of the electron currents of the accelerator (upper beam) and microwave pulses (lower beam) of a microwave generator with
взрывоэмиссионным катодом из открытопористого стеклоуглеродного материала.explosive emission cathode of open-porous glassy carbon material.
Для проверки возможности применения открытопористого стеклоуглеродного материала в качестве материала для выполнения взрывоэмиссионного катода были проведены сравнительные эксперименты на СВЧ-генераторе (см. фиг.2), в состав которого входит источник питания 1, электрически связанный с плоским катодом 2 и анодом в виде сетки 3 ускорителя электронов, параболическая камера дрейфа 4 и выходное окно 5 для вывода излучения в атмосферу. Контрольным образцом материала катода служил широко применяемый в ускорительной технике мелкодисперсный реакторный графит. В качестве материала для выполнения катода по заявляемому образцу был, например, использован открытопористый стеклоуглеродный материал, полученный по технологии, предложенной в патенте №2116279 от 27.07.98 г. Данный способ получения открытопористого стеклоуглеродного материала за счет подбора фракционного состава порообразователя позволяет регулировать размер пор в диапазоне от 10 до 100 мкм.To test the possibility of using open-porous glassy carbon material as a material for performing an explosive emission cathode, comparative experiments were conducted on a microwave generator (see Fig. 2), which includes a power source 1, electrically connected to a flat cathode 2 and an anode in the form of a grid 3 electron accelerator, a parabolic drift chamber 4 and an exit window 5 for outputting radiation into the atmosphere. As a control sample of the cathode material, finely dispersed reactor graphite widely used in accelerator technology was used. As a material for performing a cathode according to the claimed sample, for example, an open-porous glass-carbon material obtained using the technology proposed in the patent No. 2116279 dated July 27, 1998 was used. This method of producing an open-porous glass-carbon material by selecting the fractional composition of the pore former allows you to adjust the pore size in range from 10 to 100 microns.
Генератор СВЧ-излучения работает следующим образом. Импульс высокого напряжения отрицательной полярности от источника питания 1, выполненного в виде ГИН, прикладывается к катоду 2. Анод в виде сетки 3, параболическая камера дрейфа 4 электрически соединены друг с другом, заземлены и соединены с положительным полюсом источника питания. В результате взрывной эмиссии с поверхности катода формируется электронный пучок, который, ускоряясь, проходит сквозь анод и образует в камере дрейфа виртуальный катод. Захваченные в потенциальную яму между реальным и виртуальным катодом электроны совершают колебательное движение и излучают электромагнитную волну, которая покидает систему через выходное окно 5.The microwave radiation generator operates as follows. A high voltage pulse of negative polarity from the power source 1, made in the form of a GIN, is applied to the cathode 2. The anode in the form of a grid 3, the parabolic drift chamber 4 are electrically connected to each other, grounded and connected to the positive pole of the power source. As a result of explosive emission, an electron beam is formed from the surface of the cathode, which, accelerating, passes through the anode and forms a virtual cathode in the drift chamber. Electrons trapped in a potential well between the real and virtual cathode oscillate and emit an electromagnetic wave, which leaves the system through the exit window 5.
В ходе этих экспериментов регистрировался общий ток электронов с катода ускорителя и стабильность его амплитуды от импульса к импульсу.During these experiments, the total electron current from the accelerator cathode and the stability of its amplitude from pulse to pulse were recorded.
Отметим, что характеристики выходного импульса СВЧ-излучения служат характеристикой работы катода как с точки зрения амплитуды тока, так и равномерности его распределения по площади. Для контроля за равномерностью эмиссии по площади дополнительно использовался метод регистрации с помощью камеры-обскуры рентгеновского излучения, возникающего при торможении электронного пучка в анодной фольге. Эксперименты были проведены для обоих типов катодов: из реакторного графита и из открытопористого стеклоуглеродного материала с размерами пор порядка 20 мкм и пористостью на уровне 0,6 м2/г. Выполненные исследования показали, что замена реакторного графита на открытопористый стеклоуглеродный материал позволила повысить стабильность амплитуды тока электронного пучка и равномерность эмиссии его по площади катода.Note that the characteristics of the output pulse of microwave radiation serve as a characteristic of the cathode both in terms of the amplitude of the current and the uniformity of its distribution over the area. To control the uniformity of emission over the area, we additionally used the method of registration with the help of a pinhole camera of x-ray radiation arising from the deceleration of an electron beam in an anode foil. The experiments were carried out for both types of cathodes: from reactor graphite and from open-porous glassy carbon material with pore sizes of the order of 20 μm and porosity at the level of 0.6 m 2 / g. The performed studies showed that the replacement of reactor graphite with open-porous glassy carbon material made it possible to increase the stability of the amplitude of the electron beam current and the uniformity of its emission over the cathode area.
Результаты экспериментов показали, что, с точки зрения выходных параметров СВЧ-генератора катод из открытопористого стеклоуглеродного материала позволил повысить энергию генерируемого СВЧ-излучения, по крайней мере, на 50% и обеспечить стабильность ее от импульса к импульсу в пределах ±10% (См. фиг.3 и фиг.4).The experimental results showed that, from the point of view of the output parameters of the microwave generator, the cathode of open-porous glassy carbon material allowed us to increase the energy of the generated microwave radiation by at least 50% and ensure its stability from pulse to pulse within ± 10% (see figure 3 and figure 4).
Кроме того, применение взрывоэмиссионного катода на основе стеклоуглерода позволило существенно увеличить диапазон изменения зазора анод-катод ускорителя без заметного ухудшения энергетических характеристик СВЧ-излучения, что также свидетельствует о возросшей, по сравнению с реакторным графитом, эмиссионной способности катода.In addition, the use of a glass-carbon explosive emission cathode made it possible to substantially increase the range of variation of the anode-cathode gap of the accelerator without noticeable deterioration in the energy characteristics of microwave radiation, which also indicates an increase in the cathode's emission ability compared to reactor graphite.
Снимки торможения электронного пучка на мишени, полученные с помощью камеры-обскуры, также свидетельствуют о большей стабильности и равномерности по площади эмиссии электронного пучка при использовании катода заявляемого типа.Pictures of the deceleration of the electron beam on the target, obtained using a pinhole camera, also indicate greater stability and uniformity in the area of emission of the electron beam when using the cathode of the claimed type.
Таким образом, с точки зрения формирования катодом стабильного по амплитуде и равномерно распределенного по площади тока электронного пучка представляется целесообразным использование в сильноточных ускорителях открытопористого стеклоуглеродного материала.Thus, from the point of view of the formation of a cathode stable in amplitude and uniformly distributed over the current area of the electron beam, it seems appropriate to use open-porous glassy carbon material in high-current accelerators.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2004115910/22U RU41387U1 (en) | 2004-05-28 | 2004-05-28 | EXPLOSIVE EMISSION CATHODE OF A HIGH-CURRENT ELECTRON ACCELERATOR |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2004115910/22U RU41387U1 (en) | 2004-05-28 | 2004-05-28 | EXPLOSIVE EMISSION CATHODE OF A HIGH-CURRENT ELECTRON ACCELERATOR |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU41387U1 true RU41387U1 (en) | 2004-10-20 |
Family
ID=48238268
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2004115910/22U RU41387U1 (en) | 2004-05-28 | 2004-05-28 | EXPLOSIVE EMISSION CATHODE OF A HIGH-CURRENT ELECTRON ACCELERATOR |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU41387U1 (en) |
-
2004
- 2004-05-28 RU RU2004115910/22U patent/RU41387U1/en active
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Carbajo et al. | Direct longitudinal laser acceleration of electrons in free space | |
Nikolaev et al. | Upgraded vacuum arc ion source for metal ion implantation | |
Koval et al. | Electron sources with plasma grid emitters: Progress and prospects | |
Antonovich et al. | Plasma emission systems for electron-and ion-beam technologies | |
Gavrilov et al. | High-current pulse sources of broad beams of gas and metal ions for surface treatment | |
Oleshko et al. | Filamentation and self-focusing of electron beams in vacuum and gas diodes | |
Yushkov et al. | A forevacuum plasma source of pulsed electron beams | |
RU41387U1 (en) | EXPLOSIVE EMISSION CATHODE OF A HIGH-CURRENT ELECTRON ACCELERATOR | |
RU2590891C1 (en) | Electronic unsoldered gun for electron flow discharge from vacuum field gun to atmosphere or other gas medium | |
Zhu et al. | Generation and transportation of high-intensity pulsed ion beam at varying background pressures | |
RU107657U1 (en) | FORVACUMUM PLASMA ELECTRONIC SOURCE | |
Kolpakov et al. | Formation of an out-of-electrode plasma in a high-voltage gas discharge | |
RU2395866C1 (en) | Pulsed electron beam source (versions) | |
Cai et al. | Observation of a U-like shaped velocity evolution of plasma expansion during a high-power diode operation | |
Devyatkov et al. | Equipment for pulsed thermal treatment of the surfaces of materials by a low-energy electron beam | |
Yakovlev et al. | Short-pulse breakdown of near-cathode sheath in the presence of a local magnetic field | |
Shin et al. | Increasing the Electrical Strength of the Accelerating Gap in an Electron Source with a Plasma Cathode | |
Andreichik et al. | Generation of electron beam with millisecond pulse duration by plasma-cathode source based on the arc discharge in the fore-vacuum pressure range | |
RU2647489C1 (en) | Electronic unsoldered gun for electron flow and x-ray radiation discharge from vacuum region to atmosphere | |
RU121813U1 (en) | DEVICE FOR MODIFICATION OF SOLID SURFACE | |
JP6156864B2 (en) | Ion generation method | |
RU2754347C1 (en) | Source of pulse electronic beams | |
Li et al. | Layer structure, plasma jet, and thermal dynamics of Cu target irradiated by relativistic pulsed electron beam | |
RU2716825C1 (en) | Device and method for formation of multicharged ion beams | |
Barengolts et al. | On the initiation of explosive emission processes in the accelerating structures of compact linear colliders |