RU97863U1

RU97863U1 - ELECTRON ION SOURCE

Info

Publication number: RU97863U1
Application number: RU2010122293/07U
Authority: RU
Inventors: Василий Григорьевич Дураков; Баир Вячеславович Дампилон; Александр Григорьевич Рау
Priority date: 2010-06-01
Filing date: 2010-06-01
Publication date: 2010-09-20

Abstract

1. Электронно-ионный источник с продольным извлечением частиц из отражательного разряда с холодными катодами, содержащий эмиттерный катод с эмиссионным отверстием и расположенный против него второй полый катод, анод, систему вытягивания и систему электропитания, при этом полый катод выполнен в виде двух соосных элементов, отличающийся тем, что пространство между соосными элементами полого катода заполнено теплоносителем и вакуумировано. ! 2. Электронно-ионный источник по п.1, отличающийся тем, что в качестве теплоносителя используют, например, дистиллированную воду, спирт, масло, расплавы легкоплавких сплавов или металлов. ! 3. Электронно-ионный источник по п.1, отличающийся тем, что наружный элемент полого катода выполнен из металла с высокой теплопроводностью, например меди, серебра, алюминия. ! 4. Электронно-ионный источник по п.1, отличающийся тем, что наружный элемент полого катода выполнен в форме, например, радиатора охлаждения. 1. An electron-ion source with longitudinal extraction of particles from a reflective discharge with cold cathodes, comprising an emitter cathode with an emission hole and a second hollow cathode, an anode, an extrusion system and a power supply system located opposite it, wherein the hollow cathode is made in the form of two coaxial elements, characterized in that the space between the coaxial elements of the hollow cathode is filled with coolant and evacuated. ! 2. The electron-ion source according to claim 1, characterized in that, for example, distilled water, alcohol, oil, melts of fusible alloys or metals are used as a heat carrier. ! 3. The electron-ion source according to claim 1, characterized in that the outer element of the hollow cathode is made of metal with high thermal conductivity, such as copper, silver, aluminum. ! 4. The electron-ion source according to claim 1, characterized in that the outer element of the hollow cathode is made in the form of, for example, a cooling radiator.

Description

Полезная модель относится к области получения электронных и ионных пучков и может быть использована в ускорительной технике.The utility model relates to the field of production of electron and ion beams and can be used in accelerator technology.

Известен электронно-ионный источник с продольным извлечением частиц из отражательного разряда с холодными катодами, содержащий эмитерный катод с эмисионным отверстием и расположенный против него второй катод, анод, систему вытягивания и систему электропитания [SU 456322 А1, 1973].A known electron-ion source with longitudinal extraction of particles from a reflective discharge with cold cathodes, containing an emitter cathode with an emission hole and a second cathode, anode, traction system and power supply system located opposite it [SU 456322 A1, 1973].

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного источника, относится то, что в известном источнике при длительном режиме работы и повышенной мощности электронного луча происходит значительный разогрев устья полого катода из-за недостаточного теплоотвода до температуры выше точки Кюри (Т=727°С), что приводит к ферро-парамагнитному переходу последнего и изменению конфигурации магнитного поля в разрядной камере. Кроме того, при переходе температуры ферромагнитного материала через точку Кюри коэффициент распыления его резко возрастает. Все перечисленные факторы неблагоприятно сказываются на условиях горения разряда и как следствие эмисионных характеристиках электронного источника.The reasons that impede the achievement of the technical result indicated below when using a known source include the fact that in a known source during prolonged operation and increased power of the electron beam, the mouth of the hollow cathode is significantly heated due to insufficient heat removal to a temperature above the Curie point (T = 727 ° C), which leads to a ferro-paramagnetic transition of the latter and a change in the configuration of the magnetic field in the discharge chamber. In addition, when the temperature of the ferromagnetic material passes through the Curie point, its sputtering coefficient increases sharply. All these factors adversely affect the conditions of the discharge burning and, as a consequence, the emission characteristics of the electronic source.

Наиболее близким источником того же назначения к заявляемой полезной модели по совокупности признаков является электронно-ионный источник, который содержит биметаллический полый катод 2, состоящий из внутренней ферромагнитной и наружной высокотеплопроводящей части (фиг.1). Кроме того, источник содержит также эмитерный катод 1, анод 3, систему вытягивания 4 и систему электропитания [RU 2378732 С1, 2010].The closest source of the same purpose to the claimed utility model in terms of features is an electron-ion source, which contains a bimetallic hollow cathode 2, consisting of an internal ferromagnetic and external highly thermally conductive part (figure 1). In addition, the source also contains an emitter cathode 1, anode 3, an extraction system 4 and a power supply system [RU 2378732 C1, 2010].

Данный источник принят за прототип. К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного источника, принятого за прототип, относится то, что при увеличении мощности электронного луча и продолжительной работе источника высокотеплопередающая часть полого катода не справляется со своей функцией передачи тепла и происходит перегрев полого катода и изменение его эмиссионных характеристик. То есть в известном источнике существует предел по величине теплового потока, определяемый теплопроводностью и площадью поперечного сечения полого катода, имеющего реальные размеры. Если задаться градиентом температуры по длине катода 100 градусов, то максимальный тепловой поток передаваемый, к примеру, высокотеплопроводящей медной частью полого катода при площади поперечного сечения 100 мм² и длиной катода 50 мм составит 80 Вт. Расчет проведен по формуле: q=-λΔT, где:This source is taken as a prototype. The reasons that impede the achievement of the technical result indicated below when using a known source adopted as a prototype include the fact that with an increase in the electron beam power and continuous operation of the source, the highly heat-transmitting part of the hollow cathode does not cope with its heat transfer function and the hollow cathode overheats and changes emission characteristics. That is, in a known source there is a limit on the magnitude of the heat flux, determined by the thermal conductivity and the cross-sectional area of the hollow cathode having real dimensions. If you set the temperature gradient along the length of the cathode to 100 degrees, then the maximum heat flux transmitted, for example, by the highly heat-conducting copper part of the hollow cathode with a cross-sectional area of 100 mm ² and a cathode length of 50 mm will be 80 W. The calculation was carried out according to the formula: q = -λΔT, where:

q - плотность теплового потока, Вт/м² q is the heat flux density, W / m ²

λ - теплопроводность, Вт/мКλ - thermal conductivity, W / mK

ΔT градиент температуры, К/мΔT temperature gradient, K / m

Увеличение поперечного сечения высокотеплопроводящей части полого катода не представляется возможным по конструктивным соображениям разрядной камеры электронно-ионного источника. Увеличение мощности разряда для повышения тока электронного луча приведет к росту градиента температуры по длине полого катода, что непременно приведет к изменению эмиссионных характеристик источника электронов, ускоренному изменению геометрических параметров разрядной камеры за счет повышенного ионного распылению устья полого катода, что в совокупности приведет к изменению параметров электронного пучка. Для увеличения стабильности горения разряда необходимо обеспечить теплоотвод с наиболее нагреваемых электродов разрядной камеры, коим является полый катод. Использование серебра в качестве теплопередающего элемента повышает уровень мощности незначительно и не решает указанной задачи.An increase in the cross section of the highly heat-conducting part of the hollow cathode is not possible due to structural considerations of the discharge chamber of the electron-ion source. An increase in discharge power to increase the electron beam current will lead to an increase in the temperature gradient along the length of the hollow cathode, which will certainly lead to a change in the emission characteristics of the electron source, an accelerated change in the geometric parameters of the discharge chamber due to increased ion sputtering of the hollow cathode mouth, which together will lead to a change in parameters electron beam. To increase the stability of the discharge burning, it is necessary to provide heat removal from the most heated electrodes of the discharge chamber, which is the hollow cathode. The use of silver as a heat transfer element increases the power level slightly and does not solve the indicated problem.

Задачей полезной модели является повышение стабильности работы источника во времени при сохранении постоянства эмисионных характеристик электронно-ионного источника и геометрических характеристик электронного пучка.The objective of the utility model is to increase the stability of the source over time while maintaining the constancy of the emission characteristics of the electron-ion source and the geometric characteristics of the electron beam.

Технический результат при осуществлении заявляемой полезной модели достигается за счет более интенсивного теплоотвода из рабочей части полого катода, состоящего из двух соосных трубок, за счет испарения теплоносителя в нижней части полого катода, конденсации пара в верхней части катода, расположенной в охлаждающей среде, причем передача тепла происходит со скоростью распространения пара, что превышает скорость теплопередачи по массивному катоду, даже в случае изготовления его из меди или серебра.The technical result in the implementation of the claimed utility model is achieved due to more intensive heat removal from the working part of the hollow cathode, consisting of two coaxial tubes, due to evaporation of the coolant in the lower part of the hollow cathode, condensation of steam in the upper part of the cathode located in the cooling medium, and heat transfer occurs at the speed of steam propagation, which exceeds the rate of heat transfer through the massive cathode, even if it is made of copper or silver.

Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что как и известный, электронно-ионный источник с продольным извлечением частиц из отражательного разряда с холодными катодами содержит эмитерный катод с эмисионным отверстием и расположенный против него второй полый катод, анод, систему вытягивания и систему электропитания, при этом, полый катод выполнен в виде двух соосных элементов.The specified technical result in the implementation of the utility model is achieved by the fact that, like the well-known, electron-ion source with longitudinal extraction of particles from a reflective discharge with cold cathodes, it contains an emitter cathode with an emission hole and a second hollow cathode, an anode, an extraction system and a power supply system located opposite it while the hollow cathode is made in the form of two coaxial elements.

Отличительной особенностью является то, что пространство между соосными элементами полого катода заполнено теплоносителем и вакуумировано. Уровень теплоносителя между стенками трубок выбирается таким образом, чтобы теплоноситель закрывал ту часть катода, где может происходить тепловыделение в результате ионной бомбардировки.A distinctive feature is that the space between the coaxial elements of the hollow cathode is filled with coolant and evacuated. The level of coolant between the walls of the tubes is selected so that the coolant covers that part of the cathode where heat can be released as a result of ion bombardment.

Целесообразно в качестве теплоносителя использовать, например, дистиллированную воду, спирт, масло, расплавы легкоплавких сплавов или металлов.It is advisable to use, for example, distilled water, alcohol, oil, melts of fusible alloys or metals as a heat carrier.

Кроме того, наружный элемент полого катода выполнен из металла с высокой теплопроводностью, например, меди, серебра, алюминия.In addition, the outer element of the hollow cathode is made of metal with high thermal conductivity, for example, copper, silver, aluminum.

При этом, наружный элемент полого катода выполнен в форме, например, радиатора охлаждения.Moreover, the outer element of the hollow cathode is made in the form of, for example, a cooling radiator.

Указанная конструкция полого катода не позволяет увеличиваться температуре его устья выше температуры, определяемой свойствами теплоносителя, а при использовании в качестве теплоносителя воды эта температура значительно ниже точки Кюри, что сохраняет постоянство эмисионных характеристик электронно-ионного источника.The indicated design of the hollow cathode does not allow the temperature of its mouth to increase above the temperature determined by the properties of the heat carrier, and when water is used as the heat carrier, this temperature is much lower than the Curie point, which preserves the emission characteristics of the electron-ion source.

На фиг.2 изображен заявляемый электронно-ионный источник.Figure 2 shows the inventive electron-ion source.

Источник содержит холодный эмитерный катод 1, полый катод, выполненный в виде двух соосных трубок и состоящий из внутренней ферромагнитной части 2 и наружной высокотеплопроводящей части 6, а пространство между стенками трубок заполнено теплоносителем 7 и вакуумировано, цилиндрический анод 3 и извлекающий электрод 4. Магнитное поле между катодами обеспечивается постоянным магнитом 5.The source contains a cold emitter cathode 1, a hollow cathode made in the form of two coaxial tubes and consisting of an inner ferromagnetic part 2 and an outer highly heat-conducting part 6, and the space between the walls of the tubes is filled with coolant 7 and is evacuated, a cylindrical anode 3 and an extraction electrode 4. Magnetic field between the cathodes is provided by a permanent magnet 5.

Источник работает следующим образом.The source works as follows.

При подаче напряжения между катодами 1, 2 и анодом 3 зажигается отражательный разряд. С увеличением тока разряда, когда протяженность области катодного падения потенциала становится меньше радиуса апертуры полости в катоде 2, плазма проникает в полость, и зажигается разряд с полым катодом. Интенсивное охлаждение полого катода за счет передачи тепла теплоносителем повышает стабильность параметров электронно-ионного источника во времени.When a voltage is applied between the cathodes 1, 2 and the anode 3, a reflective discharge is ignited. With an increase in the discharge current, when the length of the region of the cathodic potential drop becomes smaller than the radius of the aperture of the cavity in cathode 2, the plasma penetrates into the cavity and a discharge with a hollow cathode is ignited. Intensive cooling of the hollow cathode due to heat transfer by the heat carrier increases the stability of the parameters of the electron-ion source over time.

Claims

1. An electron-ion source with longitudinal extraction of particles from a reflective discharge with cold cathodes, comprising an emitter cathode with an emission hole and a second hollow cathode, an anode, an extrusion system and a power supply system located opposite it, wherein the hollow cathode is made in the form of two coaxial elements, characterized in that the space between the coaxial elements of the hollow cathode is filled with coolant and evacuated.

2. The electron-ion source according to claim 1, characterized in that, for example, distilled water, alcohol, oil, melts of fusible alloys or metals are used as a heat carrier.

3. The electron-ion source according to claim 1, characterized in that the outer element of the hollow cathode is made of metal with high thermal conductivity, such as copper, silver, aluminum.

4. The electron-ion source according to claim 1, characterized in that the outer element of the hollow cathode is made in the form of, for example, a cooling radiator.