ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРОНОВ

Предлагаемое изобретение относится к физической электронике и может быть использовано при конструировании оптических квантовых генераторов (ОКГ), в частности при разработке источников электронов для решения широкого круга технологических задач, применяемых, например, в электроионизационных газовых лазерах (ЭИЛ).

Использование ЭИЛ в современных технологиях в первую очередь зависит от надежности и ресурса работы их источника электронов и определяется свойствами выводимого пучка большого сечения (ПБС). Кроме этого источники электронов, предназначенные для генерации ПБС, используемые в различных технологиях, должны обеспечивать высокую равномерность и однородность электронного пучка по сечению.

Электроны в источниках электронов получают в вакууме термоэлектронной эмиссией прямонакальных катодов, чаще всего состоящих из нескольких накальных элементов, причем ток эмиссии зависит главным образом от их температуры, которая составляет 2000-2700° С. Накальные элементы представляют собой тугоплавкую проволоку длиной несколько десятков сантиметров, находящуюся в натянутом состоянии для предотвращения провисания. При высокой температуре для всех материалов наблюдается резкое снижение предела его прочности, поэтому ресурс работы накальных элементов ограничен. Принудительное натяжение способствует появлению высокотемпературной ползучести, т.к. в металле появляется рекристаллизация - изменение первоначальной структуры материала. Все это снижает стабильность, надежность и ресурс работы не только накальных элементов, но и источника электронов в целом. Известные конструктивные решения не отвечают в полной мере требованиям современных технологических установок.

Известен источник электронов [Электроионизационный лазер с управляемой по сетке электронной пушкой, В.С.Аванесян, А.И.Дутов, Ю.В.Лахно и др. - К.Э., 1977, т.4, N8, с.1827-1929], включающий герметичный цилиндрический корпус с выводным окном, соединенный с высоковольтным источником питания, размещенный коаксиально внутри корпуса защитный экран с сеткой напротив выводного окна, повторяющей его геометрию и электрически соединенной с защитным экраном, расположенный внутри защитного экрана вдоль большей оси корпуса источника электронов катодный узел, состоящий из плоского формирующего электрода и соединенного с источником питания прямонакального катода, состоящего из 9 вольфрамовых нитей. Между катодным узлом и сеткой защитного экрана размещена управляющая сетка, соединенная с источником питания через модулятор. Применение источника электронов такой конструкции в мощных технологических установках ограничено тем, что ток, подводимый от источника питания накала к накальным элементам, проходит через механизм натяжения, представляющий собой металлическую пластину из ленточной пружинной стали. При длительной работе происходит сильный разогрев механизма натяжения не только за счет излучения, но и в результате протекания через него тока накала, что приводит к потере необходимой жесткости механизма натяжения и провисанию накальных элементов. Основным недостатком такого конструктивного решения источника электронов является недостаточная однородность потока электронов в результате провисания накальных элементов за счет перегрева их натяжного механизма, что приводит к ограниченному применению этой конструкции в современных технологических установках, например в мощных электроионизационных газовых лазерах.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является источник электронов [см. Пат. США №3863163, МПК H 01 J 29/48, H 01 J 33/00, публ. 28.01.75], включающий герметичный корпус с выводным окном, соединенный с высоковольтным источником питания, размещенный внутри корпуса защитный экран с сеткой напротив выводного окна, повторяющей его геометрию и электрически соединенной с защитным экраном, расположенный внутри защитного экрана вдоль большей оси корпуса источника электронов катодный узел, состоящий из 80 накальных элементов, выполненных из тугоплавкого металла, расположенных поперек выводного окна и закрепленных в держателях, которые могут перемещаться под действием пружин в изолированных втулках, соединенных с источником питания, и плоского формирующего электрода. Между катодным узлом и сеткой защитного экрана размещена управляющая сетка, соединенная с источником питания через модулятор.

Применение источника электронов такой конструкции в мощных технологических установках также, как и описано выше, ограничено тем, что при высокой рабочей температуре накальных элементов и одновременном механическом воздействии на них растягивающих пружин возникает высокотемпературная ползучесть материала, из которого сделаны накальные элементы. При этом происходит рекристаллизация, т.е. изменение первичного структурного состояния накальных элементов, что приводит к уменьшению их прочности и твердости и увеличению пластичности. Кроме этого из-за большого количества элементов механизма натяжения и громоздкости конструкции происходит их разогрев, что приводит к сильному выделению адсорбированных газов, в результате чего происходит пробой высоковольтного промежутка источника электронов. Эти обстоятельства снижают срок службы и надежность не только накальных элементов, но и всего источника электронов в целом.

Нами предложен эффективный источник электронов с большим сроком службы, надежно и экономично работающий в широком диапазоне технологических режимов.

Такой технический эффект получен, когда в источнике электронов, включающем соединенные с высоковольтным источником питания герметичный корпус с выводным окном и размещенный коаксиально внутри корпуса защитный экран с электрически соединенной с ним сеткой, размещенный в защитном экране, расположенный вдоль большей оси корпуса источника электронов параллельно поверхности выводного окна, соединенный с источником питания накала катодный узел из формирующего электрода и по крайней мере одного протяженного выполненного из тугоплавкого металла катода, обеспечивающего в рабочем объеме источника электронов соблюдение условия μ ≤ μ ₀,

где μ ₀ - необходимое распределение (неоднородность) тока пучка электронов в рабочем объеме;

μ - реальное распределение тока пучка электронов;

размещенную между катодом и сеткой защитного экрана управляющую сетку, расположенную вдоль катода и соединенную с источником питания через модулятор, новым является то, что протяженный катод выполнен секционированным из n-го количества накальных элементов, где n≥ 2, размещенных с интервалом вдоль большей оси источника электронов, каждый накальный элемент выполнен в виде спирали, намотка которой удовлетворяет условиям: d≤ h≤ 2d и 7≥ D/d≥ 2,

где

d - диаметр проволоки;

h - шаг спирали;

D - диаметр спирали;

длиной L, удовлетворяющей условию f=L²γ^{/8σ , при f≤ 0,1 Н,}

где f - стрела прогиба;

γ - удельная нагрузка;

σ - напряжение;

Н - расстояние между катодом и управляющей сеткой.

Нами теоретически обосновано и экспериментально показано, что источник электронов с предложенной нами спиральной конструкцией накальных элементов позволяет достичь предельных значений термоэмиссии электронов, не прибегая к применению механизма натяжения.

На Фиг.1 схематически изображено предлагаемое устройство (пример конкретного исполнения), где высоковольтный источник 1, корпус 2, накальные элементы 3, источник 4 питания накала, управляющая сетка 5, модулятор 6, защитный экран 7, защитная сетка 8, формирующий электрод 9, выводное окно 10, рабочий объем 11.

Н - расстояние от накальных элементов до управляющей сетки;

L - длина спирали.

На Фиг.2 дана зависимость тока пучка от мощности накала, где кривая 12 - для протяженного катода с механизмом натяжения, кривая 13 - для катода из спиральных накальных элементов.

Р_н - мощность накала;

I_y - ток пучка.

Источник электронов работает следующим образом (см. Фиг.1). Ускоряющее напряжение создается высоковольтным источником 1, положительный потенциал которого соединен с корпусом 2 источника электронов. Под отрицательным потенциалом находится протяженный катод 3 с источником 4 питания накала, управляющая сетка 5, соединенная со своим источником питания через модулятор 6, защитный экран 7, электрически соединенный с защитной сеткой 8 и формирующий электрод 9. Защитный экран 7 выравнивает напряженность поля внутри герметичного корпуса 2, а сетка 8 предотвращает возможные пробои между управляющей сеткой 5 и корпусом 2. Электроны образуются за счет термоэлектронной эмиссии с нагретого от источника питания накала 4 катода 3. На управляющую сетку 5, конструктивные решения которой достаточно известны и проработаны, от модулятора 6 поступает импульс положительной полярности, под действием которого электроны попадают в ускоряющий промежуток, где ускоряются за счет приложенной разности потенциалов между корпусом 2 и защитным экраном 7 и через выводное окно 10 проникают в пространство 11 для взаимодействия с облучаемым объектом (рабочий объем).

При конструировании электронно-оптических систем для того, чтобы в рабочем объеме обеспечить требуемое распределение тока пучка электронов, катод должен равномерно заполнять плоскость выводного окна так, чтобы выполнялось условие μ ≤ μ ₀, где μ ₀ - необходимое распределение (неоднородность) тока пучка электронов в рабочем объеме, μ - реальное распределение тока пучка электронов.

Мы выполнили протяженный катод в виде секций, состоящих из спиралей диаметром D и длиной L, расположенных с интервалом вдоль выводного окна, намотанных из проволоки диаметром d с шагом h, удовлетворяющих условиям: d≤ h≤ 2d и 7≥ D/d≥ 2. Для сохранения параметров электронной оптики необходимо, чтобы при рабочей температуре стрела прогиба спирали была как можно меньше, что определяется из f=L²γ^{/8σ , где f - стрела прогиба, γ - удельная нагрузка, σ - напряжение. Предельная величина f зависит от расстояния между катодом и управляющей сеткой и обычно это составляет менее 10%, что можно определить как f≤ 0,1H, где Н - расстояние между катодом и управляющей сеткой. Длину спирали выбирают из соотношения стрелы прогиба и конструктивного расстояния сетка-катод, а интервалы между секциями и их взаимное расположение - из условия μ ≤ μ ₀. Выполнение этих условий позволяет получить параметры намотки спирали, обеспечивающие ее максимальную жесткость.}

Для получения необходимой амплитуды тока пучка катод необходимо разогреть до соответствующей температуры, при которой возникает термоэлектронная эмиссия, поэтому к нему должна быть подведена требуемая мощность накала, которая определяется, как Р_н=Р_оπ_{dl, где Рн - мощность накала секции, Ро - удельная нагрузка, d - диаметр проволоки, l - длина проволоки. Однако при подводе предельной мощности к спиральным накальным элементам произойдет их разрушение. Но нами было показано (см. Фиг.2), что возможно достичь необходимой температуры накальных элементов для получения предельной термоэлектронной эмиссии при значительно меньшей мощности (до 30%), которая позволяет надежно функционировать спиральным накальным элементам. Это происходит из-за дополнительного нагрева друг другом соседних витков спирали при выполнении намотки (спирализации) с найденными нами параметрами, что обеспечивает нам минимальную величину стрелы прогиба при выбранной длине спирали.}

В проводимых экспериментах была получена зависимость тока пучка электронов (I_у) от мощности источника накала (Р_н) для двух вариантов накальных элементов (Фиг.2): проволочного с механизмом натяжения (кривая 12) и накальных элементов в виде спирали (кривая 13). Как видно, при использовании предлагаемой конструкции накальных элементов, например, для тока пучка в 20 А мощность накала составляет 1.9 кВт, тогда как в ранее используемой - 2.3 кВт, т.е. на 30% больше.

На нашем предприятии был изготовлен и испытан источник электронов с накальными элементами, выполненными в форме спиралей без механизма их натяжения. Корпус представляет собой цилиндр из нержавеющей стали с внутренним диаметром 500 мм, длиной 1500 мм и толщиной 20 мм. Вдоль оси корпуса расположено выводное окно, имеющее размеры 120× 1000 мм, представляющее собой медную пластину толщиной 50 мм с прозрачностью 50%. К ней плотно прилегает алюминиевая фольга толщиной 40 мкм, которая служит для разделения вакуумного и рабочего объемов. Защитный экран также выполнен в виде цилиндра диаметром 190 мм и длиной 1050 мм с отверстием прямоугольной формы 100× 1000 мм, в котором крепится защитная сетка из стержней диаметром 2 мм, расположенных с шагом 10 мм. Внутри защитного экрана на расстоянии 20 мм от защитной сетки расположена управляющая сетка из молибденовых стержней диаметром 1.6 мм и с шагом 20 мм. Ниже нее на 10 мм в три ряда по 22 в каждом расположены выполненные из вольфрамовой проволоки накальные элементы, соединенные параллельно-последовательно. Длина спирали одного элемента 25 мм, диаметр спирали - 0.45 мм, диаметр проволоки - 0.08 мм. На расстоянии 40 мм от накальных элементов расположен формирующий электрод, который подключен к минусу источника накала.

Испытания на "долговечность" по термической нагрузке катодно-сеточного узла на предлагаемом устройстве и, для сравнения, на протяженном катоде проводились следующим образом. Включали источник питания накала при мощности 2.7 кВт и измеряли время до первого обрыва накального элемента. Наблюдаемый обрыв в проволочном накальном элементе с механизмом натяжения происходил на 120-140 секундах, что фиксировалось по показаниям вольтметра В7-27 и амперметра М2015 источника питания накала. При испытании спиральных накальных элементов без механизма их натяжения эксперимент пришлось прекратить после 4.5 минут, но не из-за обрыва накального элемента, а из-за ухудшения вакуума в результате сильного перегрева элементов источника электронов, что стало приводить к пробою ускоряющего промежутка.

Таким образом, заявляемое устройство обладает высокой надежностью, экономично и имеет увеличенный срок службы, тогда как при использовании проволочных накальных элементов с механизмом натяжения ресурс работы источника электронов в целом низкий из-за изменения первичного структурного состояния накальных элементов, приводящего к уменьшению их прочности и твердости и увеличению пластичности, что приводит к преждевременному обрыву, в результате чего уменьшается надежность.

Это конструкторское решение позволяет расширить диапазон использования таких устройств для решения задач, связанных с использованием электроионизационных лазеров и в современных радиационно-химических технологиях.