SU602041A1

SU602041A1 - Electron source with explosive cathode

Info

Publication number: SU602041A1
Application number: SU762401357A
Authority: SU
Inventors: Э.Н. Абдуллин; Г.П. Баженов; О.Б. Ладыженский; С.М. Чесноков
Original assignee: Институт Оптики Атмосферы Со Ан Ссср
Priority date: 1976-09-13
Filing date: 1976-09-13
Publication date: 1983-08-23

Abstract

ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРОНОВ CO ВЗРЫВНЫМ КАТОДОМ, содержащий катод, фокусирующий электрод и наход щиес под потенциёшом земли анод и вакуумную камеру^ отличающий- с тем. Что, с целью увеличени длительности генерируемых электронных пучков, упрощени конструкции источника и схемы питани , фокусирующий электрод выполнен в виде сосуда с отверстием, в которое углублен анод, катод расположен внутри фоку- сирукмцего электрода, имеет электрический контакт с последним и удален от анода на рассто ние, квадрат которого не меньше площади эффективной собирающей электронной поверхности анода.iШС•» ^о^ оК)о4^SOURCE OF ELECTRONS WITH AN EXPLOSIVE CATHODE, containing a cathode, a focusing electrode and an anode under the potential of the earth and a vacuum chamber that differs. To increase the duration of the generated electron beams, simplify the source design and the power supply circuit, the focusing electrode is made in the form of a vessel with an opening into which the anode is recessed, the cathode is located inside the focusing electrode, has electrical contact with the latter and is removed from the anode A square whose square is not less than the area of the effective collecting electron surface of the anode. iShS • "^ о о о)) 4 ^

Description

Изобретение относитс к технике генерировани электронных пучков. Оно может быть использовано в лазерной ускорительной технике, в плаэмоxи 4ии и других област х науки и техники , в пищевой промышленности.This invention relates to a technique for generating electron beams. It can be used in laser accelerator technology, in flame 4 and other fields of science and technology, in the food industry.

Известны источники электронов.со взрывным катодом 1 , содержащие катод , анод. Электроны выт гиваютс из катодной плазмы, образованной взрывным разрушением микрбрстрий при перегреве их автоэмиссионным током , и ускор ютс приложенным напр жением до тех пор, пока передний фронт плазмы не достигнет анода.Known sources of electrons with explosive cathode 1, containing the cathode, the anode. The electrons are drawn out of the cathode plasma produced by the explosive destruction of the microstorms when they are overheated by the autoemission current, and are accelerated by the applied voltage until the front of the plasma reaches the anode.

Один из основных недостатков известных источников состоит в том, что длительность генерируемых пучков ограничиваетс заполне ем вакуумного промежутка плотной плазмой распростран ющейс от катода к аноду со скоростью (f,5-3) см/с. Кроме того, эффективность таких источников , невысока (S-10%). ЭтоОбусловлено тем, что стенки вакуумной камеры в них имеют потенциал анода, в результате на .стенках тер етс . значительна часть эмиттируемых из катодной плазмы электронрв.One of the main drawbacks of the known sources is that the duration of the generated beams is limited by filling the vacuum gap with dense plasma propagating from the cathode to the anode at a speed of (f, 5-3) cm / s. In addition, the effectiveness of such sources is low (S-10%). This is due to the fact that the walls of the vacuum chamber in them have the potential of the anode, as a result, the walls are lost. a significant part of the electron-emitters emitted from the cathode plasma.

Известен источник электронов со взрывным катодом 2 , содержащий катод, фокусирующий электрод и наход щиес под потенциалом земли анод и вакуумную камеру. Фокусирующий электрод выполнен в виде двух цилиндров , удаленных друг от друга на рассто ние, меньшее размера промежутка анод-катод, и изолированных от всех элементов источника.- Эти цилиндры расположены между катодом и анодом, а их оси перпендикул рны нормали к плоскости катода. Потенциал на: фокусирующем электроде задаетс от дополнительной электрической цепи.A source of electrons with an explosive cathode 2 is known, comprising a cathode, a focusing electrode, and an anode under a potential of the earth and a vacuum chamber. The focusing electrode is made in the form of two cylinders spaced apart from each other by a distance smaller than the anode-cathode gap and isolated from all source elements. These cylinders are located between the cathode and the anode, and their axes are perpendicular to the normal to the plane of the cathode. The potential at the: focusing electrode is set by an additional electrical circuit.

В этом источнике при рассто нии анод-катод 150 мм, рассто нии катодфокусирующий электрод 7.0 мм, рассто нии между цилиндрами 80 мм получен пучок со следующими параметрами: плотность тока 30 мА/см, энерги 225 кэВ, длительность- 10 мс. Таким образом, введение фокусирующего электрода позвол ет значительно увеличить длительность генерируемого пучка.In this source, at an anode-cathode distance of 150 mm, a cathode focusing electrode distance of 7.0 mm, a distance between cylinders of 80 mm, a beam was obtained with the following parameters: current density 30 mA / cm, energy 225 keV, duration 10 ms. Thus, the introduction of a focusing electrode allows a significant increase in the duration of the generated beam.

Дл получени необходимой, эффективности и длительности генерируемого пучка рассто ние между цилиндрами фокусирующего электрода вз то довольно малым, что сильно ослабл ет напр женность пол у катода, делает ее недостаточной дл возбуждени взрывной эмиссии лишь подачей напр жени на промежуток :анод-катод и вызывает необходимость исполь зойани дополнительного поджигающего импульса. Вследствие этого схемаIn order to obtain the necessary, efficiency and duration of the generated beam, the distance between the cylinders of the focusing electrode is rather small, which greatly weakens the field strength at the cathode, makes it insufficient for initiating explosive emission only by applying voltage to the anode-cathode and necessitates use an additional ignition pulse. Due to this scheme

питани источника усложн етс введением дополнительной электрической цепи, с помощью которой дл возбуждени взрывной эмиссии фокусирующий электрод поддерживае.тс вначале под 5 потенциалом земли, а после образовани катодной плазмы принимает потенциал , необходимый дл фокусиров и .The power supply of the source is complicated by the introduction of an additional electrical circuit, with which the focusing electrode is maintained for excitation of explosive emission. At first, under the ground potential, and after the formation of the cathode plasma, it takes the potential required for the focusing devices and.

Кроме того, дл подвода питани In addition, for supplying power

10 фокусирующего электрода от дополнительной цепи в источник введены два проходных изол тора (помимо проход ного изол тора в катодном узле) , что значительно усложн ет конструкцию10 of the focusing electrode from the additional circuit, two bushing insulators are introduced into the source (besides the bushing insulator in the cathode assembly), which significantly complicates the design

S источника.S source.

Существенным недостатком вл етс то, что фокусирующий электрод занимает лишь часть промежутка анодкатод и поэтому не устран ет полностью вли ни стенок камеры на токоотбрр . Это затрудн ет генерирование электронных пучков длительностью 10 мс и более, приводит к потере части электронного тока на стенках A significant disadvantage is that the focusing electrode occupies only a part of the anodode gap and therefore does not completely eliminate the influence of the chamber walls on the current source. This complicates the generation of electron beams with a duration of 10 ms or more, leading to the loss of a part of the electron current on the walls.

C камеры (часть его также тер етс на сопротивлении, включенном в цепь питани фокусирующего электрода). Поэтому эффективность описанного источника составл ет . Цель изобретени - увеличениеC camera (part of it is also lost in the resistance included in the power supply circuit of the focusing electrode). Therefore, the effectiveness of the described source is. The purpose of the invention is to increase

длительности генерировани электронных пучков, упрощение схемы питани и конструкции источника. the duration of the electron beam generation, the simplification of the power supply circuit and the design of the source.

Цель достигаетс тем, что фоку- , сирующий электрод выполнен в видеThe goal is achieved by the fact that the focusing electrode is made in the form

5 сосуда с отверстием, в которое углублен анод катод расположен внут|ри фокусирующего электрода, имеет I электрический контакт с последним и удален от анода на рассто ние,5 of the vessel with a hole in which the anode is recessed, the cathode is located inside the focusing electrode, has I electrical contact with the latter and is removed from the anode for a distance

0 квадрат которого не меньше площади собирающей электронной поверхности анода.0 the square of which is not less than the area of the collecting electron surface of the anode.

На фиг. 1 показан предложенный источник электронов со взрывнымFIG. 1 shows the proposed electron source with an explosive

С катодом, разрез; на фиг. 2 приведены зависимости d/u от d дл разных S, где d зазор анод-катод; tjj врем коммутации; S - площадь соби- . рающей электронной поверхности анода; на фиг. 3 - (а, б) - осциллограммы электронного тока и напр жени на промежутке..Cathode cut; in fig. 2 shows the dependences of d / u on d for different S, where d is the anode-cathode gap; tjj switching time; S - area collected -. cutting electron surface of the anode; in fig. 3 - (a, b) - oscillograms of electron current and voltage across the gap ..

Источник электронов со взрывным катодом содержит наход щиес под потенциалом земли вакуумную камеру 1 Electron source with an explosive cathode contains a vacuum chamber 1

5 и анод 2, а также фокусирующий злек- трод 3 и катод 4.5 and the anode 2, as well as the focusing electrode 3 and the cathode 4.

Фокусирующий электрод предназначен дл фокусировки электронного 0 пучка и, устранени вли ни стенок камеры на токоотбор. Он выполнен в виде цТилиндричёского сосуда с пло-. щадью поперечного сечени внутренней полости 70000 мгл. Сосуд имеет с отверстие диаметром 260 мм, через которое на 30 мм вглубь сосуда проходит анод 2. Анод выполнен в виде цилиндрического сосуда с фланцем, которым он прикреплен к камере 1 источника. Со стороны катода 4 анод ограничен титановой фольгой, служащей окном 7 дл вывода электронов. Площадь эффективной собирающей элек тронной поверхности анода равна 6300 . Фокусирующий эле,ктрод 3 крепитс к секционированному проходному иэо .л тору 5, помещенному в алюминиевый стакан 6 высоковольтного ввода. Изо л тор имеет отверстие дл подачи высокого напр жени в промежуток ка тод-анод. Катод 4 расположен внутри фокусирующего электрода напротив анода, имеет электрический контакт с электродом и удален от поверхност анода на рассто ние d, квадрат кото рого не меньше площади эффективной собирающей электронной поверхности анода (d 14 см). При подаче накатод 4 напр жени достаточного дл возбуждени взрывной эмиссии, на катоде создаетс плазма. Электроны выт гиваютс с пе риферийных областей катодной плазма , ускор ютс приложенным напр жением и извлекаютс через фольговое окно. Таким образом, с момента.по влени плазмы на катоде начинаетс импульс электронного тока, который оканчиваетс в момент перехода раз р да в низковольтную стадию. Это вр м близко к времени коммутации и оп редел етс соотношением , где d - величина зазора анод-катод Vj - скорость распространени плаЭмы. На фиг. 2 приведены зависимости -т- от d дл разных площадей поп речного сечени анода S:крива 7 дл 5 102400 мм , крива 8 - дл мм, крива 9 - дп 5 700 мм крива 10 - дл 5 280 мгл, получен ные при наличии и отсутствии фокусирующего электрода. Видно, что в случае большой площади анода и отсутстви фокусирующего электрода, {крива 7) с увеличением d соотношение -г- несколько растет, при к введении же фокусирующего электрод описанной конфигурации с увеличением d до величины величина --- резко падает от : 2-10 до 4-10 см/с (кривые 8, 9, 10). Поэтому в предложенном источнике электронов дл выбора размера анода используетс условие . При лабораторных исследовани х источника электронов со взрывным катодом был получен пучок со следующими параметрами: ток пучка 2рО А, энерги 200 кэВ, длительность генерируемого пучка 30 мс, причем это врем ограничено не перемыканием промежутка плазмой, а разр дом ГИН. осциллограммы тока пучка и напр жени на промежутке анод-катод приведены на фиг. 3 (а,б). В -предложенном источнике электронов путем увеличени емкости ГИН и подбора наиболее оптимальных размеров фокусирующего электрода можно еще более увеличить длительность генерируемого пучка. Использование анода с площадью поперечного сечени , меньшей квадрата зазора анод-катод (), определ ет следующие существенные преимущества источника по сравнению с прототипом: 1.Использование одного проходного изол тора вместо трех в прототипе , что упрощает конструкцию источника. 2.Упрощение схем питани за счет исключени электрической цепи питани фокусирующего электрода. 3.Увеличение длительности генерируемого пучка до 30 мс (10 мс в прототипе) при напр жении питани 200 кВ (ток пучка 200 Л). 4.Повышение эффективности ис .точника электронов путем исключени потери электронов на стенках камеры. Применение предложенных источников дл накачки газовых лазеров позвол ет значительно повысить КПД последних . Применение источника электронов в пищевой промышленности дл стерилизации пищевых продуктов значительно улучшает качество стерилизации . Источники электронных пучков большой длительности могут найти широкое применение в других област х науки и техники и различных отрасл х промышленности.The focusing electrode is designed to focus the electron beam and eliminate the influence of the chamber walls on the current collector. It is designed as a tsilindritskogo vessel with a flat. Span cross section of the internal cavity of 70000 mgl. The vessel has a hole with a diameter of 260 mm through which the anode 2 passes 30 mm deep into the vessel. The anode is made in the form of a cylindrical vessel with a flange, with which it is attached to the source chamber 1. On the cathode 4 side, the anode is bounded by a titanium foil, which serves as window 7 for the removal of electrons. The area of the effective collecting electron surface of the anode is equal to 6300. Focusing element, electrode 3 is attached to a partitioned pass-through actuator 5 placed in an aluminum cup 6 of a high-voltage bushing. The insulator has a hole for supplying high voltage to the cathode-anode gap. The cathode 4 is located inside the focusing electrode opposite the anode, has electrical contact with the electrode and is removed from the anode surface by a distance d, the square of which is not less than the area of the effective collecting electron surface of the anode (d 14 cm). By supplying a cathode 4 with a voltage sufficient to initiate explosive emission, a plasma is created at the cathode. The electrons are pulled from the peripheral regions of the cathode plasma, accelerated by the applied voltage, and extracted through the foil window. Thus, from the moment plasma occurs, a pulse of electron current begins at the cathode, which ends at the moment the bit transitions to the low-voltage stage. This time is close to the switching time and is determined by the relation, where d is the anode-cathode gap size Vj - the rate of propagation of the plasma. FIG. 2 shows the dependences of –t on d for different areas of the cross section of the anode S: curve 7 for 5 102400 mm, curve 8 - for mm, curve 9 - dp 5 700 mm curve 10 - for 5 280 mgl obtained with and no focusing electrode. It can be seen that in the case of a large anode area and the absence of a focusing electrode, (curve 7) with increasing d, the ratio ω increases somewhat, with the introduction of the described configuration focusing the electrode of the described configuration with increasing d to a magnitude --- decreases sharply from: 10 to 4-10 cm / s (curves 8, 9, 10). Therefore, in the proposed electron source, a condition is used to select the size of the anode. In laboratory studies of an electron source with an explosive cathode, a beam was obtained with the following parameters: a beam current of 2pOA, an energy of 200 keV, a duration of the generated beam of 30 ms, and this time is limited not by bridging the gap with a plasma, but by discharging GIN. Oscillograms of the beam current and voltage across the anode-cathode gap are shown in FIG. 3 (a, b). In the proposed electron source, by increasing the GIN capacitance and selecting the most optimal dimensions of the focusing electrode, the duration of the generated beam can be further increased. The use of an anode with a cross-sectional area smaller than the anode-cathode gap (), determines the following significant advantages of the source compared to the prototype: 1. Using one bushing insulator instead of three in the prototype, which simplifies the source design. 2. Simplification of power circuits by eliminating the electrical supply circuit of the focusing electrode. 3. Increase the duration of the generated beam to 30 ms (10 ms in the prototype) with a supply voltage of 200 kV (beam current 200 L). 4. Increase the efficiency of the electron source by eliminating the loss of electrons on the walls of the chamber. The use of the proposed sources for pumping gas lasers makes it possible to significantly increase the efficiency of the latter. Using a source of electrons in the food industry to sterilize food products significantly improves the quality of sterilization. Long duration electron beam sources can be widely used in other fields of science and technology and various industries.

.. ,см/с«к.., cm / s "to

20№й«Т 3 t S (f.c20№y "T 3 t S (f.c

t-fftt t-fftt

Ю 15 го г5 t-wVS 15 th 5 t-wV

Фмг.2Fmg.2

f-K «/вf-k "/ in

Фиг.ЗFig.Z

Claims

SOURCE OF ELECTRONS WITH AN EXPLOSIVE CATHODE, containing a cathode, a focusing electrode and an anode and a vacuum chamber under the ground potential, characterized in that, in order to increase the duration of the generated electron beams, simplify the design of the source and the power circuit, the focusing electrode is made in the form of a vessel with an aperture at which the recessed anode, a cathode positioned within the focusing electrode is in electrical contact with the latter and remote from the anode by a distance which is not less than the square area of the effective collecting _e electron conductive surface S of the anode. I- and ..,. 602041 /

the effectiveness of such and this is that the vacuum walls have the potential of the anode, on the walls is lost, part of the emitted