Электронная отпаянная пушка для вывода электронного потока в атмосферу или иную газовую среду

Изобретение относится к электронной технике, а именно к электронным отпаянным пушкам и ускорителям электронов, предназначенным для вывода электронного потока из вакуумной области пушки и ускорителя в атмосферу или иную газовую среду, и может быть использовано в полупроводниковой электронике для создания мощных миниатюрных структур, в квантовой электронике в электроионизационных лазерах, в медицине для стерилизации инструментов и поверхности биологических объектов, в плазмохимии для полимеризации, ускорения химических реакций, а также в других областях техники.

В большинстве существующих электронных отпаянных пушках вывод высокоскоростного потока электронов из вакуумной области пушки наружу осуществляется через тонкую металлическую фольгу, при прохождении которой электроны выделяют в ней часть своей энергии, что приводит к перегреву фольги, ограничивая плотность мощности пушки (Вт/см²). У металлов, используемых в качестве материала фольги титана, бериллия и др. коэффициент теплопроводности не превышает λ=2 Вт/см К, что требует импульсного режима работы и не позволяет поднять среднюю плотность мощности электронной отпаянной пушки более 10 Вт/см² при средней плотности тока 30-100 мкА/см² / Симонов К.Г. Электронные отпаянные пушки. М. Радио и Связь, 1985, 125 с./

Для повышения средней плотности мощности электронной отпаянной пушки применяют форсированные (принудительные) способы охлаждения фольги, например, используя каркас из металлических трубок, имеющих тепловой контакт с фольгой, по которым протекает вода /Там же/.

Недостатками устройств, использующих принудительное водяное охлаждение, являются то, что поток тепла ограничен теплопроводностью материала фольги, а также громоздкостью и сложностью конструкции.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является электронная отпаянная пушка для вывода электронного потока из вакуумной области пушки в атмосферу или иную газовую среду, включающая корпус в виде металлической трубы, в торцевой части которой расположено окно вывода электронов, выполненное из теплопроводящего диэлектрика, в частности алмаза, переменной толщины по площади окна и вакуумно-плотно соединенное с опорным основанием окна, систему охлаждения окна, токопроводящее покрытие на обращенной к катоду поверхности окна и электрически связанное с опорным основанием и корпусом пушки, расположенные в корпусе соосно катод, продольная ось которого параллельна продольной оси окна вывода электронов и фокусирующие электроды /Патент РФ №2590891/.

Это техническое решение при использовании алмаза позволяет увеличить пропускаемую среднюю плотность мощности в несколько раз (до 50 Вт/см²) и работать в непрерывном режиме.

Недостатками данной пушки являются неоптимизированная конструкция окна, что ограничивает мощность пушки, и сложность технологии изготовления алмазного выводного окна, его невысокая надежность при эксплуатации, так как алмаз хрупкий материал, имеет низкий коэффициент температурного расширения, что приводит к возникновению больших термических напряжений в области спая алмаза с опорным основанием окна, выполняемого, как правило, из нержавеющей стали, коэффициент температурного расширения которой в 15 раз больше /Физические величины: Справочник / А.П. Бабичев, Н.А. Бабушкина и др. Под ред. И.С. Григорьева. - М.; Энергоатомиздат, 1991. - 1232 с./.

Кроме того, дополнительным недостатком использования алмазного выводного окна является увеличение стоимости пушки.

Задачей изобретения является устранение выше указанных недостатков.

Техническим результатом предложенного технического решения являются повышение мощности и надежности пушки за счет оптимизации конструкции окна вывода электронов.

Указанная задача решается, а технический эффект достигается за счет того, что в электронной отпаянной пушке для вывода электронного потока из вакуумной области пушки в атмосферу или иную газовую среду, включающая корпус в виде металлической трубы, в торцевой части которой расположено окно вывода электронов, выполненное из теплопроводящего диэлектрика и имеющее переменную по площади толщину и вакуумно-плотно соединенное с опорным основанием окна, систему охлаждения окна, токопроводящее покрытие, нанесенное на обращенную к катоду поверхность окна и электрически связанное с опорным основанием и корпусом пушки, расположенные в корпусе соосно катод, продольная ось которого параллельна продольной оси окна вывода электронов, и фокусирующие электроды, окно вывода электронов выполнено, по крайней мере, из одного теплопроводящего диэлектрика в форме пластины с тонкими участками, разнесенными друг от друга по ее площади и удаленными от ее краев, система принудительного охлаждения окна размещена в опорном основании окна и охватывает его по азимуту, при этом тепловые и геометрические характеристики окна удовлетворяют неравенству λ_тh<λ_мН, где λ_т, λ_м - теплопроводности тонких участков пластины и ее среднее по объему значение, h, Н - толщина тонких участков и толщина пластины, соответственно.

Диэлектрическая пластина соединена с опорным основанием через тонкую металлическую манжету, являющуюся частью системы принудительного охлаждения.

Катод выполнен в виде двух независимых групп ячеек, одна из которых размещена азимутально-симметрично тонким участкам окна, а другая - остальной площади пластины.

Поверхность окна, обращенная наружу, имеет токопроводящее покрытие, электрически связанное с опорным основанием и корпусом пушки. Окно полностью выполнено из алмаза.

Окно выполнено, по крайней мере, из одной алмазной пластины и пластины со сквозными отверстиями и вакуумно-плотно соединенную с каждой алмазной пластиной, пластина со сквозными отверстиями выполнена из алмаз-карбидокремневой керамики.

Окно содержит одну алмазную пластину, закрывающую все отверстия пластины со сквозными отверстиями или несколько алмазных пластин, каждая из которых закрывает часть отверстий пластины со сквозными отверстиями.

Токопроводящее покрытие выполнено неоднородным по площади окна с участками, содержащими тяжелый металл в областях вне тонких участков, толщина участков токопроводящего покрытия, содержащих тяжелый металл, больше или равна глубине проникновения в токопроводящее покрытие электронов с катода.

Сущность изобретения.

В ходе проведенных исследований были установлены следующие факты.

Существуют теплопроводящие диэлектрики с теплопроводностью большей теплопроводности металлов -используемых в качестве фольги, например, алмаз, у которого коэффициент теплопроводности λ=20 Вт/см К значительно больше коэффициентов теплопроводности титана λ=0,2 Вт/см К, бериллия λ=2 Вт/см К / Физические величины: Справочник / А.П. Бабичев, Н.А. Бабушкина и др. Под ред. И.С. Григорьева. - М.; Энергоатомиздат, 1991. - 1232 с. / и алмаз - карбидокремниевый композит, АКК - Скелетон (далее скелетон), у которого коэффициент теплопроводности λ=5-6 Вт/см К /itp-forum.ru>conf2015/documents/section_… Алмаз - карбидокремниевые композиты «Скелетон»/.

Поскольку поток тепла в твердом теле прямо пропорционален его коэффициенту теплопроводности, то замена титана на алмаз, при всех прочих равных условиях, повысит величину отводимой мощности в 100 раз, а по сравнению с бериллием в 10 раз, в случае скелетона эти соотношения составят 30 и 3 раза, соответственно.

Помимо высокой теплопроводности алмаз и скелетон имеют высокие пределы прочности - σ=500 МПа (алмаз), σ=350 МПа (скелетон), а у титана и бериллия σ≈250 МПа /Там же/, что позволяет окнам из алмаза и скелетона выдерживать больший перепад давления между вакуумом пушки и атмосферой при той же конструкции окна вывода электронов, или делать окно тоньше, тем самым повысить плотность мощности.

Глубина проникновения электронов в вещество имеет тенденцию расти при переходе от металлов к полупроводникам и, далее к диэлектрикам /Там же/, что объясняется снижением потерь энергии высокоэнергичного электрона при его взаимодействии со свободными электронами вещества: у диэлектриков зона проводимости, где существуют свободные электроны, пуста. Это снижает энергетические потери потока электронов в окне, выполненным из диэлектрика.

Кроме того, скелетон это керамика, из которой проще выполнить конструкцию наперед заданной формы, например, пластину, пластину с отверстиями и т.п. /itp-forum.ru>conf2015/documents/section_… Алмаз - карбидокремниевые композиты «Скелетон»/.

Помимо этого, алмаз и скелетон обладают необходимой адгезией друг с другом и алмаз осаждают на скелетоне CVD способом с получением вакуумно-плотного контакта. Это позволяет создавать многослойную диэлектрическую структуру с переменной по толщине теплопроводностью.

Все указанные выше преимущества такой теплопроводящей диэлектрической структуры позволяют оптимизировать конструкцию окна вывода электронов и создать электронную отпаянную пушку с большей средней плотностью мощности.

На фиг. 1 - схематично показана в разрезе электронная отпаянная пушка.

На фиг. 2 - приведена в разрезе конструкция окна из двух пластин.

На фиг. 3 - приведено окно, с неоднородным по площади токопроводящим покрытием, содержащем тяжелый металл.

Электронная пушка состоит из катодного узла 1, включающего катод и фокусирующие электроды и закрепленного на катодном держателе 2 через высоковольтный изолятор 3 на торце корпуса 4. Соосно катодному узлу 1 на противоположном торце корпуса установлено диэлектрическое окно 5 в форме пластины с тонкими участками 6 для вывода электронов и вакуумно-плотно соединенной с опорным основанием 7 через тонкую металлическую манжету 8, являющуюся стенкой кольцевого канала 9 системы принудительного охлаждения. Основание 7 вакуумно-плотно соединено с корпусом пушки 4. На поверхность окна, обращенную внутрь пушки, нанесен тонкий слой токопроводящего покрытия 10.

Электронная пушка работает следующим образом.

На катод, например, прямонакальный, и фокусирующие электроды, выполненные, например, из молибдена катодного узла 1 от высоковольтного источника(ов) питания (не показан) подается отрицательное относительно земли напряжение. Корпус пушки 4, выполненный, например, из стали, заземлен. Внутри пушки, между катодным узлом 1 и корпусом 4, включая токопроводящее покрытие 10, создано электрическое поле, которое формирует высокоскоростной поток электронов, эмитированных катодом, и направляет его на окно вывода электронов 5, выполненное, например, из бипластины алмаз - скелетон. Поток электронов проходит сквозь тонкие участки окна 6 с малыми потерями, поскольку их толщина в несколько раз меньше глубины проникновения электронов в алмаз. Электроны, перехваченные окном, после их накопления (см. ниже), проникают в токопроводящее покрытие 10, выполненное, например, из никеля толщиной 0,1-1 мкм, и стекают по нему в опорное основание пушки 7, выполненное, например, из стали, и далее на землю.

При равномерно распределенной по площади пластины (окна) падающей мощности электронного потока часть ее выделяется в виде тепла в тонких участках 6, а часть в массиве 11, при этом все выделенное в пластине тепло стекает по массиву к ее краям, контактирующим с системой охлаждения, фиг. 2.

По тепловому потоку пластину 5 можно разбить на два последовательных соединения: тепло по тонкому участку 6 передается массиву 11 и по массиву 11 к краям пластины. Аппроксимируя тонкий участок круглым диском радиуса а и толщиной h, получаем перепад температуры ΔT между центром диска и его краем

где q - плотность падающей мощности (Вт/см²), λ_Т - теплопроводность (Вт/см К), k - коэффициент перехвата электронов (k=0 - все прошли, k=1 - все перехвачены). Рассматриваем худший вариант k=1.

Аналогичную формулу получим для массива пластины в виде круглого диска

где λ_м - теплопроводность (Вт/см К), Н - толщина массива пластины, β - отношение площади тонких участков к площади пластины.

Теплоотвод двух последовательных соединений считается эффективным, если они дают равноценный вклад, т.е. ΔТм≈ΔТт, или

Так как всегда выполняется неравенство βa²/R²<1, то для обеспечения эффективного теплоотвода независимо от его конкретных размеров всегда должно выполняться неравенство

В выводном окне возникают механические напряжения, обусловленные внешним давлением, причем их величина имеет максимальные значения у контакта окна с основанием /Федосьев В.А. Сопротивление материалов. Наука, 1970, 544 стр/. Для повышения надежности соединения окна 5 с опорным основанием 7 тонкие участки 6 окна 5 выполняют на удалении от места соединения.

При прохождении потока электронов сквозь тонкие участки 6 часть из них оседает в ней, часть потока электронов перехватывает массив 11 окна. Окно заряжается. Нанесенный на поверхность окна тонкий токопроводящий слой 10 электрически замкнут с опорным основанием окна и стенками пушки, при этом они вместе образуют то ко проводящую полость, практически полностью охватывающую катод, фиг. 1. В такой конструкции заряд окна полностью экранируется токопроводящей полостью и не оказывает влияние на траектории электронов внутри пушки. Более того, этот отрицательный заряд не повлияет на скорости электронов после прохождения ими окна, вследствие консервативности постоянного электрического поля: их торможение внутри окна скомпенсируется ровно таким же ускорением, после его прохождения (закон сохранения энергии).

Накопление заряда в диэлектрике приведет к росту в нем напряженности электрического поля и, когда она достигнет пробойной величины Е_пр≈150 кВ/мм /Физические величины: Справочник /А.П. Бабичев, Н.А. Бабушкина и др. Под ред. И.С. Григорьева. - М.; Энергоатомиздат, 1991. - 1232 с./, произойдет пробой диэлектрика: заряд мгновенно стечет через тонкий токопроводящий слой на землю. Вся энергия, выделенная в диэлектрике при пробое, перейдет в тепло. Ее объемная плотность равна q=Е_пр²/8π≈0,1 Дж/см³, что приведет к росту температуры диэлектрика за один пробой ΔT=Е_пр²/8πср или ΔТ=0,05 градуса для алмаза, т.е. стекание тока при пробое произойдет без перегрева и разрушения диэлектрика.

Таким образом, окно вывода электронов, выполненное, по крайней мере, из одного теплопроводящего диэлектрика в форме пластины с тонкими участками, разнесенными друг от друга по ее площади и удаленными от ее краев и подчиняющими неравенству (4), и система принудительного охлаждения окна, размещенная в опорном основании окна и охватывающая его по азимуту, повышают отводимую от окна мощность и надежность конструкции.

При нагреве выводного окна на стыке опорное основание - окно возникают термомеханические напряжения вследствие его расширения, которые могут привести к разрушению окна ввиду хрупкости материала, как алмаза, так и скелетона. Для снижения этих напряжений соединение окна 5 с опорным основанием 7 выполняют в виде тонкой металлической манжеты 8, например, из пластичного металла - меди. Медь легко деформируется и тепловое расширение окна происходит без заметного увеличения напряжения.

Для повышения мощности электронной пушки катод выполнен в виде двух независимых групп ячеек, одна из которых размещена азимутально-симметрично тонким участкам окна, а другая - остальной площади пластины. Включение только первой из них снижает потери электронов в массиве, а, следовательно, повышает мощность пушки.

Для повышения надежности пушки поверхность окна, обращенная наружу, имеет токопроводящее покрытие, электрически связанное с опорным основанием и корпусом пушки. Это исключит эрозии окна ионами из внешней среды.

Для существенного повышения мощности пушки окно полностью выполняют из алмаза.

Для повышения надежности конструкции окна его выполняют, по крайней мере, из одной алмазной пластины и пластины со сквозными отверстиями и вакуумно-плотно соединенную с каждой алмазной пластиной.

Для повышения мощности пушки и ее надежности пластина со сквозными отверстиями выполнена из алмаз-карбидокремневой керамики.

Для пушек небольшой мощности окно содержит одну алмазную пластину, закрывающую все отверстия пластины со сквозными отверстиями.

Для пушек повышенной мощности окно содержит несколько алмазных пластин, каждая из которых закрывает часть отверстий пластины со сквозными отверстиями.

Для расширения функциональных возможностей токопроводящее покрытие выполнено неоднородным по площади окна с участками, содержащими тяжелый металл в областях максимальной толщины окна 12, фиг. 3. Это позволяет получить дополнительно рентгеновское излучение.

Для большей эффективности толщина участков токопроводящего покрытия, содержащих тяжелый металл 12 больше или равна глубине проникновения в токопроводящее покрытие электронов с катода.

Таким образом, электронная отпаянная пушка с предложенным окном и системой принудительного охлаждения окна имеет большую плотность мощности и повышенную надежность по сравнению с прототипом.