ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРОНОВ

Изобретение относится к физической электронике и может быть использовано при конструировании оптических квантовых генераторов (ОКГ), в частности, при разработке источников электронов, применяемых, например, в электроионизационных газовых лазерах.

В известных решениях эффективность использования источников электронов определяется свойствами выводимого пучка большого сечения (ПБС) и в значительной степени зависит от параметров этого пучка в ускоряющем промежутке, представляющем собой пространство между двумя высокопотенциальными электродами разных знаков. Источники электронов, предназначенные для генерации ПБС, используемые в различных технологиях, должны обеспечивать высокую равномерность и однородность электронного пучка по сечению. Электроны в них обычно получают в вакууме термоэлектронной эмиссией прямонакальных катодов, причем ток эмиссии зависит главным образом от температуры катода, которая составляет 2000-2700^oС. При такой высокой температуре, если время работы катодов составляет от десятков секунд до нескольких минут, происходит разогрев элементов конструкций, что вызывает выделение с их поверхностей адсорбированных газов. Эти газы "отравляют" катоды, снижая их эмиссию и срок службы, а также могут вызвать пробой в ускоряющем промежутке. Все это снижает стабильность и надежность работы источника электронов. Известные конструктивные решения не отвечают в полной мере требованиям современных технологических установок.

Известен источник электронов [Пат. США, N 3746909, НПК 315-13R, публ 1977] , включающий герметичный корпус с выводным окном и размещенный в нем катодный узел, состоящий из протяженного формирующего параболического электрода, протяженного нитевидного катода, расположенного в фокусе формирующего электрода, и управляющей сетки. Основным недостатком данного конструктивного решения является недостаточная однородность потока электронов и трудность изготовления протяженного параболического формирующего электрода, 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 [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 соединенные с высоковольтным источником питания герметичный цилиндрический корпус с расположенным вдоль образующей цилиндра выводным окном, 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 большой оси корпуса источника электронов катодный узел, состоящий из 9 нитей прямонакального катода, соединенного 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 ограничено тем, что при его длительной работе, как было сказано выше, происходит сильный разогрев конструкций катодно-сеточного узла и защитного экрана. Это обстоятельство способствует выделению адсорбированных газов, которые "отравляют" катод, снижая его эмиссию и срок службы, а также могут вызвать пробой ускоряющего промежутка, приводящий к срыву работы источника электронов.

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

Такой технический эффект достигнут, когда в источнике электронов, включающем соединенные с высоковольтным источником питания герметичный цилиндрический корпус с выводным окном и размещенный коаксиально внутри корпуса защитный экран с сеткой, расположенной напротив выводного окна и повторяющей его геометрию и электрически соединенной с защитным экраном, размещенный в защитном экране, соединенный с источником питания накала электродный узел из по крайней мере одного катода, расположенного вдоль большой оси корпуса источника электронов параллельно поверхности выводного окна, и формирующего электрода, размещенную между катодным узлом и сеткой защитного экрана управляющую сетку из тугоплавких нитей, расположенную вдоль катода и соединенную с источником питания через модулятор, новым является то, что формирующий электрод выполнен в форме неполной боковой поверхности кругового цилиндра с направляющей в виде дуги с углом α, найденным из условия
3π/2≥α≥π,
и радиусом R, найденным из соотношения
|sinα/2|≥0,2D/R и H≥L,
где R - радиус формирующего электрода;
D - ширина защитной сетки;
Н - расстояние от защитной сетки до управляющей сетки;
L - расстояние от управляющей сетки до катода,
при этом катод совмещен с осью формирующего электрода, который открытой частью обращен в сторону выводного окна.

Предлагаемое устройство схематически изображено на фиг.1 (пример конкретного исполнения), где высоковольтный источник 1, корпус 2, катод 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 (система вакуумной откачки не показана).

R - радиус формирующего электрода,
D - ширина защитной сетки,
Н - расстояние от защитной сетки до управляющей сетки,
L - расстояние от управляющей сетки до катода,
α - угол дуги неполной боковой поверхности фокусирующего экрана.

На фиг. 2 представлена зависимость тока пучка электронов I_п от мощности накала Р_н. По оси Х отложены значения мощности накала в кВт, по оси Y - значения тока пучка электронов в А. Кривая 1 построена для случая, когда формирующий экран представляет собой плоскую пластину (прототип), кривая 2 - когда формирующий экран выполнен в виде неполной боковой поверхности цилиндра по формуле изобретения.

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 находятся 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. Конструкторские решения управляющей сетки достаточно известны и проработаны. Электроны образуются за счет термоэлектронной эмиссии с нагретого от источника питания накала 4 катода 3. На управляющую сетку 5 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 (рабочий объем) для взаимодействия с облучаемым объектом. В фокусе формирующего электрода 9, выполненного в виде неполной боковой поверхности цилиндра, обращенного открытой частью в сторону выводного окна 10, расположен катод 3. Благодаря этому часть мощности излучения катода возвращается обратно на него. Поэтому, чтобы достичь определенной температуры катода, подводимая от источника питания накала мощность становится меньше на величину мощности, отраженной от формирующего электрода. Кроме этого, данное исполнение формирующего электрода препятствует разогреву защитного экрана и расположенного внутри него катодно-сеточного узла, тем самым значительно уменьшая газовыделение. Диапазон изменения открытой части формирующего электрода, соответствующий дуге с углом α, выбран нами исходя из проведенных нами расчетов конструкции электронно-оптической системы источника электронов. Расчеты показывают, что для создания пучка электронов с неравномерностью не более 10%, при различных значениях потенциалов на элементах катодно-сеточного узла и защитного экрана, этот угол лежит в пределах 3π/2≥α≥π, а радиус R формирующего электрода определяет соотношение |sinα/2|≥0,2D/R, при Н≥L.

Таким образом, предложенная нами конструкция источника электронов, где формирующий электрод выполнен в виде неполной боковой поверхности кругового цилиндра выбранной геометрии, повышает эффективность и экономичность источника электронов, т.к. значительно уменьшает необходимую мощность источника питания накала при заданных значениях тока пучка электронов. В источнике электронов исключен перегрев катодно-сеточного узла и защитного экрана, уменьшено количество адсорбированных газов с их поверхности, что препятствует "отравлению" катодов и приводит, в свою очередь, к увеличению срока службы и надежности.

На нашем предприятии был изготовлен, испытан и принят к эксплуатации источник электронов с формирующим электродом, выполненным в форме неполной боковой поверхности кругового цилиндра с выбранными параметрами. Корпус представлял собой цилиндр из нержавеющей стали с внутренним диаметром 500 мм, длиной 1500 мм и толщиной 20 мм. Вдоль оси корпуса было расположено выводное окно, имеющее размеры 120•1000 мм, представляющее собой медную пластину толщиной 50 мм с прозрачностью 50%. К ней плотно прилегала 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 крепилась 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 мм с шагом 10 мм. Ниже нее на 25 мм были натянуты 2 нити катода из вольфрама диаметром 0,4 мм, каждая из которых располагалась в фокусе своего формирующего электрода, выполненного из стальной трубы с внутренним диаметром 50 мм и углом дуги α, равным π.

Высоковольтный источник был собран по однополупериодной схеме выпрямления на базе повышающего трансформатора ИОМ 200/200, в заземляющий токопровод которого поставлен пояс Роговского для измерения тока пучка электронов I_п. Чувствительность пояса - 20 А/В. Сигнал с пояса выводился на осциллограф С8-14, где измерялась амплитуда тока пучка электронов.

Для источника питания накала был специально изготовлен трансформатор с выпрямителем, обеспечивающий потребляемую мощность до 4 кВт при токе нагрузки до 40 А. Значение мощности накала определялось по току накала, измеренному амперметром М2015 и напряжению, измеренному вольтметром В7-27.

Модулятор управляющей сетки представлял собой формирующую линию с волновым сопротивлением 30 Ом, которая заряжается от источника питания, в состав которого входит трансформатор НОМ6 и выпрямитель, и разряжается через тиратрон ТГИ1 500/16, формируя на управляющей сетке импульсы амплитудой до 5 кВ и длительностью от 5 до 30 мкс.

При работе источника электронов была получена зависимость тока пучка электронов (I_п) от мощности источника накала (Р_н) для двух вариантов формирующего электрода (фиг.2): широко используемого в настоящее время плоского электрода(кривая 1) и в виде неполной боковой поверхности цилиндра, предлагаемой в изобретении (кривая 2). Нами однозначно было показано, что при использовании предлагаемой конструкции источника электронов, для рабочего тока пучка в 40 А мощность накала составляет 2,15 кВт, а в ранее используемой - 2,8 кВт, т.е. на 30% больше.

Также были проведены испытания по термической нагрузке катодно-сеточного узла для обоих вариантов конструкций. Источник питания накала включали на 30 с, а затем на такое же время выключали, всего делали по пять таких циклов для каждого варианта конструкции. Во время включения источника питания накала на управляющую сетку подавали импульс положительной полярности, длительностью 20 мкс, амплитудой до 3 кВ и частотой повторения 50 Гц. В результате этого в ускоряющем промежутке создавался пучок электронов, амплитуда которого во всех экспериментах составляла 40 А. При использовании плоского формирующего электрода работа в таком режиме приводила к сильному разогреву катодно-сеточного узла и защитного экрана, что проявлялось в увеличении количества пробоев ускоряющего промежутка, которые начинались уже при втором включении. Устройство предлагаемой нами конструкции успешно работало в течение длительного времени, пробои в отдельных экспериментах имели место только после пятого включения.

Таким образом, заявляемое устройство обладает большой экономичностью, высокой надежностью и имеет увеличенный срок службы, тогда как при использовании иных конструкторских решений формирующего электрода происходит перегрев катодно-сеточного узла, что приводит к срыву работы источников электронов.

Такое конструктивное решение также позволяет расширить диапазон использования устройств для решения задач, связанных с применением электроионизационных лазеров и в современных радиационно-химических технологиях.

Заявляемый источник электронов будет применен в электроионизационном лазере в работе по международному контракту.