RU2241278C1 - Pulsed electron-beam gas-discharge source (alternatives) - Google Patents

Abstract

FIELD: physical and quantum electronics, roentgen engineering, spectroscopy, plasmochemistry, and diagnostic measurements.

SUBSTANCE: proposed pulsed gas-discharge electron-beam source has cathode whose effective surface mounts dielectric plate, gauze anode, electron-beam drift region past gauze cathode, all mounted in gas-discharge chamber, and switch-mode high-voltage power supply connected to cathode and gauze anode; the latter being disposed directly on dielectric plate surface. As an alternative, gas-discharge chamber accommodates additional electrode, and distance between gauze anode and additional electrode is chosen to ensure that electrical breakdown voltage between them will afford desired operating voltage range of device; switch-mode power supply is connected here to cathode and additional electrode. Proposed device incorporates provision for hindering open barrier discharge and for maintaining its stability thereby enlarging its operating pressure range by more than order of magnitude.

EFFECT: enlarged operating pressure range.

2 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к электронике и может быть использовано в физической электронике, квантовой электронике, рентгенотехнике, спектроскопии, плазмохимии, диагностических измерениях.The invention relates to electronics and can be used in physical electronics, quantum electronics, X-ray technology, spectroscopy, plasma chemistry, diagnostic measurements.

Известен импульсный газоразрядный источник электронного пучка, содержащий катод, сетчатый анод, область дрейфа электронного пучка за сетчатым анодом, размещенные в газоразрядной камере, и импульсный высоковольтный источник питания, при этом сетчатый анод располагается напротив катода в удалении от него на конечном расстоянии d, а импульсный высоковольтный источник питания подключается к катоду и сетчатому аноду [Сорокин А.Р. // Письма в ЖТФ, Т.28, №9, С.14-21, 2002].Known pulsed gas-discharge source of the electron beam, containing the cathode, the mesh anode, the drift region of the electron beam behind the mesh anode, placed in the gas discharge chamber, and a pulsed high-voltage power source, while the mesh anode is located opposite the cathode at a distance from it at a finite distance d, and the pulse a high-voltage power source is connected to the cathode and the mesh anode [Sorokin A.R. // Letters to the ZhTF, T.28, No. 9, S.14-21, 2002].

Недостатком данного устройства, в котором реализуется открытый разряд, является узкий диапазон рабочего давления газа. В типичном разрядном промежутке d=0,5-1 мм рабочее давление не превышает несколько десятков Торр. Основная проблема: требуется удержать в течение импульса высокое значение падения потенциала в прикатодном слое и сохранить при этом устойчивость разряда. Так для давления гелия p_He=100 Торр установившаяся длина катодного падения потенциала аномального разряда составит всего l_cf=0,37(р_Hеl_cf)n=0,05 мм, где величина (р_Hеl_cf)_n=1-3 Торр· см берется для нормального тлеющего разряда. Поле у катода, например, для напряжения питания U=5 кВ будет Е_c≈ 2U/l_cf=2· 10⁶ В/см, что на порядок выше, чем требуется для начала взрывных процессов на катоде из металла. Эквивалентный ток аномального разряда при этом достиг бы j_AD 2,5· 10^-12p²(U_cf)³=600 А/см². Оценки справедливы, если все приложенное напряжение U сосредоточено в катодном падении потенциала U_cf [Клименко К.А., Королев Ю.Д. // ЖТФ, Т. 60, №9, с.138-142, 1990]. В импульсном режиме стабильность разряда при столь высоких полях у катода можно сохранить в течение нескольких нc. Дополнительно возникает проблема формирования возбуждающих разряд импульсов напряжения с малой длительностью переднего фронта, которая для d>>l_cf должна быть также несколько нс, иначе пробой разрядного промежутка произойдет на переднем фронте при малом напряжении. Увеличить же время формирования разряда путем повышения затрудненности развития разряда, уменьшая d до размеров ~l_cf, т.е. 50 мкм при сохранении высокой прозрачности и значительной площади сетчатого анода, практически не реально.The disadvantage of this device, which implements an open discharge, is a narrow range of working gas pressure. In a typical discharge gap d = 0.5-1 mm, the working pressure does not exceed several tens of Torr. The main problem: it is required to maintain a high value of the potential drop in the cathode layer during the pulse and at the same time maintain the stability of the discharge. So for the helium pressure p _He = 100 Torr, the steady-state length of the cathodic drop in the potential of the anomalous discharge will be only l _cf = 0.37 (p _Hе l _cf ) n = 0.05 mm, where the value (p _Hе l _cf ) _n = 1-3 Torr · cm is taken for a normal glow discharge. The field at the cathode, for example, for a supply voltage of U = 5 kV will be E _c ≈ 2U / l _cf = 2 · 10 ⁶ V / cm, which is an order of magnitude higher than that required to start explosive processes on a metal cathode. The equivalent current of the anomalous discharge would reach j _AD 2.5 · 10 ^-12 p ² (U _cf ) ³ = 600 A / cm ² . The estimates are valid if all the applied voltage U is concentrated in the cathodic potential drop U _cf [Klimenko K.A., Korolev Yu.D. // ZhTF, T. 60, No. 9, p.138-142, 1990]. In the pulsed mode, the stability of the discharge at such high fields at the cathode can be maintained for several ns. In addition, the problem arises of the formation of voltage-exciting pulses of voltage with a short leading edge duration, which should also be several ns for d >> l _cf , otherwise the breakdown of the discharge gap will occur at the leading edge at low voltage. To increase the time of discharge formation by increasing the difficulty in developing the discharge, decreasing d to sizes ~ l _cf , i.e. 50 microns, while maintaining high transparency and a large area of the mesh anode, is practically not realistic.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является импульсный газоразрядный источник электронного пучка, содержащий катод, сетчатый анод, область дрейфа электронного пучка за сетчатым анодом, размещенные в газоразрядной камере, и импульсный высоковольтный источник питания, при этом на рабочей поверхности катода расположена диэлектрическая пластина, сетчатый анод располагается напротив катода в удалении от диэлектрической пластины на конечном расстоянии d, а импульсный высоковольтный источник питания подключается к катоду и сетчатому аноду [Азаров А.В., Митько С.В., Очкин В.И. // Квантовая электроника, т.32, №8, с.675-679, 2002].The closest in technical essence to the proposed device is a pulsed gas-discharge source of an electron beam containing a cathode, a mesh anode, a drift region of the electron beam behind the mesh anode, placed in a gas-discharge chamber, and a pulsed high-voltage power source, while a dielectric plate is located on the working surface of the cathode, the mesh anode is located opposite the cathode at a distance from the dielectric plate at a finite distance d, and the switching high-voltage power supply yuchaetsya to the cathode and a mesh anode [AV Azarov, Mit'ko SV Ochkin VI // Quantum Electronics, vol. 32, No. 8, p. 675-679, 2002].

Недостатком данного устройства, в котором реализуется барьерный открытый разряд, также является узкий диапазон рабочего давления газа (в гелии до ~20 Торр). Затрудненность развития и протекания разряда, а следовательно, время удержания на разрядном промежутке d достаточно высокого напряжения U до и после электрического пробоя разрядного промежутка зависит, как и в разряде с полым анодом [Завьялов М.А., Крейндель Ю.Е. и др. Плазменные процессы в технологических электронных пушках. М.: Энергоатомиздат. 1989. 256 с.], от параметров pd и рА, где А - размер отверстия в полом аноде или в нашем случае характерный размер отверстий в сетчатом аноде. Если А<d, что обычно выполняется в открытых разрядах различного типа, то затрудненность разряда будет зависеть в основном от параметра pd. Наивысшая затрудненность разряда реализуется при d<l_cf, т.е. когда поток ионов, поддерживающих разряд, идет из заанодной плазмы, образующейся в ослабленном электрическом поле, провисающем в полостях анодной сетки. Для атмосферного давления гелия длина катодного падения потенциала составит всего l_cf=6,3 мкм, что на два порядка меньше типичной длины разрядного промежутка d=0,5 мм, при которой параметр pd=38 Торр· см, а напряжение пробоя, согласно кривой Пашена, не превысит величину U_b~500 В. В импульсном режиме напряжение пробоя будет выше, но в интересном для практики случае, когда фронт возбуждающего импульса напряжения составляет ~20 нс, Ub при столь высоком давлении не превысит величину ~2 кВ. Поэтому, в лучшем случае, энергия электронов в пучке может составить 2 кэВ. Для эффективного формирования электронного пучка дополнительно необходимо, чтобы электроны двигались в электрическом поле Е, по крайней мере, на порядок более высоком, чем требуется для начала непрерывного ускорения электронов - (Е/р_Hе)_сr=150 В/(см· Торр), т.е. должно быть: Е/р_Hе ~1,5 кВ/(см·Торр) и более. В рассматриваемых условиях (р_Hе=760 Торр, d=0,5 мм, U=2 кВ) на начальной стадии пробоя электрическое поле в разрядном промежутке слабо искажено объемными зарядами, Е/р_Не≈ U/(p_Hed)=53 В/(см· Торр), что даже меньше порогового ~150 В/(см· Торр). Если катодное падение потенциала сформируется и все приложенное напряжение упадет на нем, то условия эффективного формирования электронных пучков будет выполнено: Е/р_Не≈ U/(l_cf· р_Hе)=4,2 кВ/(см· Торр). Реально, из-за того, что l_сf· р_Не<<p_Hed, большая часть приложенного напряжения сосредоточится вне области катодного падения потенциала и энергия электронов и в этом случае окажется весьма малой, существенно меньше 2 кэВ. К тому же, хотя стабильность барьерного открытого разряда в рассматриваемом устройстве выше, чем в обычном открытом разряде с металлическим катодом, стабильность будет ограничена перерастанием спонтанно и локально возникшей неоднородности разряда в искру. Ток неоднородности в результате локальной зарядки поверхности диэлектрической пластины приведет к возникновению тангенциальной составляющей электрического поля у поверхности диэлектрика и к развитию поверхностного разряда, заряжающего всю поверхность диэлектрической пластины через эту неоднородность, переходящую в искру. Практически, диапазон рабочих давлений в прототипе оказывается не шире, чем в аналоге.The disadvantage of this device, which implements a barrier open discharge, is also a narrow range of working gas pressure (in helium up to ~ 20 Torr). The difficulty in the development and course of the discharge, and therefore the retention time d of a sufficiently high voltage U on the discharge gap before and after electric breakdown of the discharge gap, depends, as in a discharge with a hollow anode [Zavyalov MA, Kreindel Yu.E. et al. Plasma processes in technological electron guns. M .: Energoatomizdat. 1989. 256 pp.], From the parameters pd and pA, where A is the size of the hole in the hollow anode or, in our case, the characteristic size of the holes in the mesh anode. If A <d, which is usually performed in open discharges of various types, then the difficulty of the discharge will depend mainly on the parameter pd. The highest discharge difficulty is realized for d <l _cf , i.e. when the stream of ions supporting the discharge comes from the ananode plasma, which is formed in a weakened electric field, sagging in the cavities of the anode grid. For helium atmospheric pressure, the length of the cathodic potential drop is only l _cf = 6.3 μm, which is two orders of magnitude less than the typical length of the discharge gap d = 0.5 mm, at which the parameter pd = 38 Torr · cm, and the breakdown voltage, according to the curve The tillage will not exceed U _b ~ 500 V. In the pulsed mode, the breakdown voltage will be higher, but in a case that is interesting for practice, when the front of the exciting voltage pulse is ~ 20 ns, Ub at such a high pressure will not exceed ~ 2 kV. Therefore, in the best case, the electron energy in the beam can be 2 keV. For the effective formation of an electron beam, it is additionally necessary that the electrons move in the electric field E, at least an order of magnitude higher than that required to start continuous electron acceleration - (E / p _He ) with _r = 150 V / (cm · Torr), those. should be: E / p _He ~ 1.5 kV / (cm · Torr) and more. Under the conditions under consideration (p _He = 760 Torr, d = 0.5 mm, U = 2 kV), at the initial stage of breakdown, the electric field in the discharge gap is slightly distorted by space charges, E / p _He ≈ U / (p _He d) = 53 V / (cm · Torr), which is even less than the threshold ~ 150 V / (cm · Torr). If the cathodic potential drop is formed and all the applied voltage drops on it, then the conditions for the effective formation of electron beams will be satisfied: E / p _He ≈ U / (l _cf · p _He ) = 4.2 kV / (cm · Torr). Actually, due to the fact that l _cf · p _He << p _He d, most of the applied voltage will be concentrated outside the region of the cathodic potential drop and the electron energy will be very small in this case, significantly less than 2 keV. In addition, although the stability of an open barrier in the device under consideration is higher than in a conventional open discharge with a metal cathode, the stability will be limited by the development of a spontaneously and locally arising discontinuity of the discharge into a spark. The inhomogeneity current as a result of local charging of the surface of the dielectric plate will lead to the appearance of the tangential component of the electric field at the surface of the dielectric and to the development of a surface discharge charging the entire surface of the dielectric plate through this inhomogeneity, which becomes a spark. In practice, the range of working pressures in the prototype is not wider than in the analogue.

Техническим результатом изобретения является расширение более чем на порядок диапазона рабочих давлений в предлагаемом устройстве за счет повышения затрудненности и стабильности барьерного открытого разряда в нем.The technical result of the invention is the expansion by more than an order of magnitude of the range of operating pressures in the proposed device by increasing the difficulty and stability of the open barrier in it.

Технический результат достигается тем, что в импульсном газоразрядном источнике электронного пучка, содержащем катод, на рабочей поверхности которого расположена диэлектрическая пластина, сетчатый анод, область дрейфа электронного пучка за сетчатым анодом, размещенные в газоразрядной камере, и импульсный высоковольтный источник питания, подключенный к катоду и сетчатому аноду, сетчатый анод расположен непосредственно на поверхности диэлектрической пластины.The technical result is achieved in that in a pulsed gas-discharge source of an electron beam containing a cathode, on the working surface of which there is a dielectric plate, a mesh anode, an electron beam drift region behind the mesh anode, located in the gas-discharge chamber, and a pulsed high-voltage power supply connected to the cathode and mesh anode, mesh anode located directly on the surface of the dielectric plate.

Технический результат достигается также тем, что в импульсном газоразрядном источнике электронного пучка, содержащем катод, на рабочей поверхности которого расположена диэлектрическая пластина, сетчатый анод, область дрейфа электронного пучка за сетчатым анодом, размещенные в газоразрядной камере, и импульсный высоковольтный источник питания, сетчатый анод расположен непосредственно на поверхности диэлектрической пластины, кроме того, в газоразрядной камере размещен дополнительный электрод, причем расстояние между сетчатым анодом и дополнительным электродом подбирают таким, чтобы напряжение электрического пробоя между ними обеспечивало заданный диапазон рабочих напряжений устройства, а импульсный высоковольтный источник питания подключен к катоду и дополнительному электроду.The technical result is also achieved by the fact that in a pulsed gas-discharge source of an electron beam containing a cathode, on the working surface of which there is a dielectric plate, a mesh anode, the drift region of the electron beam behind the mesh anode, located in the gas-discharge chamber, and a pulsed high-voltage power source, the mesh anode is located directly on the surface of the dielectric plate, in addition, an additional electrode is placed in the gas discharge chamber, the distance between the mesh anode and an additional electrode is selected so that the electric breakdown voltage between them provides a predetermined range of operating voltages of the device, and a pulsed high-voltage power supply is connected to the cathode and the additional electrode.

Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми чертежами.The invention is illustrated by the following description and the accompanying drawings.

На фиг.1 приведена схема предлагаемого устройства с планарным расположением электродов. На фиг.2 изображен вариант предлагаемого устройства с коаксиальным расположением электродов. На фиг.3 приведена электрическая схема измерений параметров разряда в предлагаемом, фиг.1, устройстве. На фиг.4 приведены осциллограммы напряжения, иллюстрирующие разряд в аналоге и в предлагаемом, фиг.1, устройстве. На фиг.5 приведено предлагаемое устройство с дополнительным электродом. На фиг.6 приведены осциллограммы, иллюстрирующие разряд в предлагаемом, фиг.5, устройстве с дополнительным электродом.Figure 1 shows a diagram of the proposed device with a planar arrangement of electrodes. Figure 2 shows a variant of the proposed device with a coaxial arrangement of electrodes. Figure 3 shows the electrical circuit for measuring the parameters of the discharge in the proposed, figure 1, the device. Figure 4 shows the voltage waveforms illustrating the discharge in the analogue and in the proposed, figure 1, the device. Figure 5 shows the proposed device with an additional electrode. Figure 6 shows the waveforms illustrating the discharge in the proposed, figure 5, a device with an additional electrode.

На чертежах показаны: 1 - импульсный высоковольтный источник питания; 2 - катод, на рабочей поверхности которого расположена диэлектрическая пластина - 3; 4 - сетчатый анод, расположенный на диэлектрической пластине - 3 с противоположной стороны от катода -2; 5 - область дрейфа электронного пучка; 6 - коллекторная сетка; 7 - коллектор; R1, R2 - резистивный делитель для измерения импульсного напряжения; R3, R4, R5 - сопротивления для измерений, соответственно, анодного тока, тока коллекторной сетки и тока коллектора; 8,9 - осциллограммы напряжения, иллюстрирующие разряд в гелии с давлением 400 Торр, соответственно для аналога и предлагаемого, фиг.1, устройства, а τ 1, τ 2 и U1, U2 - соответствующие значения временной задержки и напряжения пробоя для них; 10 - дополнительный электрод для предлагаемого, фиг.5, устройства; 11 и 12 - осциллограммы напряжения и тока, иллюстрирующие разряд в гелии с давлением 600 Торр, для предлагаемого устройства - фиг.5.The drawings show: 1 - switching high-voltage power supply; 2 - cathode, on the working surface of which a dielectric plate is located - 3; 4 - mesh anode located on the dielectric plate - 3 on the opposite side from the cathode -2; 5 - region of the electron beam drift; 6 - collector grid; 7 - collector; R1, R2 - resistive divider for measuring pulse voltage; R3, R4, R5 - resistances for measurements, respectively, of the anode current, collector grid current and collector current; 8.9 are voltage oscillograms illustrating a discharge in helium with a pressure of 400 Torr, respectively, for the analogue and the proposed device, FIG. 1, and τ 1, τ 2 and U1, U2 are the corresponding values of the time delay and breakdown voltage for them; 10 - an additional electrode for the proposed, figure 5, device; 11 and 12 are voltage and current waveforms illustrating a discharge in helium with a pressure of 600 Torr, for the proposed device - figure 5.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Повышенная стабильность разряда в предложенном устройстве, фиг.1, 2, достигается тем, что ток возникшей в разряде неоднородности быстро сбрасывает локальную напряженность поля, заряжая поверхность диэлектрической пластины, ограниченную размером одного отверстия анодной сетки. Тем самым предотвращается развитие искрового пробоя промежутка. Затрудненность разряда в таком устройстве в основном определяется размером А отверстий в анодной сетке, которую можно, в частности, сформировать непосредственно на поверхности диэлектрической пластины, например, путем использования технологий напыления и фотолитографии. Повышенная затрудненность разряда, в условиях отсутствия разрядного промежутка в общепринятом смысле (d=0), обеспечивается экранировкой сетчатым анодом проникновения сильного электрического поля далеко в глубь пространства дрейфа. Развитие поверхностного разряда по диэлектрической пластине в пределах отверстия в анодной сетке невозможно из-за практически отсутствия тангенциальной составляющей электрического поля вследствие близкого расположения противолежащих перемычек сетки (тангенциальные поля, вносимые краевыми эффектами от этих перемычек, противоположно направлены и поэтому скомпенсированы). В процессе формирования катодного падения потенциала электрическое поле еще более стягивается к поверхности диэлектрической пластины и все приложенное напряжение оказывается сконцентрированным в прикатодной области. Для ориентации в выборе подходящего материала для диэлектрической пластины в зависимости от параметров разряда можно воспользоваться неравенством, следующим из анализа электрической схемы [Ищенко В.Н., Лисицин В.П., Сорокин А.Р. // Квантовая электроника, т.5, №4, с.788-794, 1978]: U/E_bd<Δ <Uε /(jt_j), где U[В] - рабочее напряжение питания, Е_bd [В/см] - напряженность электрического поля пробоя диэлектрического материала, Δ [см] - толщина диэлектрической пластины, ε - диэлектрическая проницаемость диэлектрической пластины, j [А/см²] - средний ток разряда продолжительностью - t_j [сек]. Иметь в виду, что в импульсном режиме Е_bd может в несколько раз превышать E_bd для статического поля. Конфигурации диэлектрических пластин - 3 и других элементов устройства могут отличаться от представленных на фиг.1, 2 в зависимости от требуемой геометрии электронного пучка, определяемой целевым назначением электронных пучков (возбуждение лазерных сред, обработка материалов и т.д.). Сказанное относится и к выбору конфигурации области дрейфа - 5.Increased stability of the discharge in the proposed device, Fig.1, 2, is achieved by the fact that the current arising in the discharge of the inhomogeneity quickly relieves the local field strength, charging the surface of the dielectric plate, limited by the size of one hole of the anode grid. This prevents the development of spark breakdown of the gap. The difficulty of the discharge in such a device is mainly determined by the size A of the holes in the anode grid, which can, in particular, be formed directly on the surface of the dielectric plate, for example, by using spraying and photolithography technologies. The increased difficulty of the discharge, in the absence of a discharge gap in the generally accepted sense (d = 0), is provided by the screening of the penetration of a strong electric field far into the depth of the drift space by the mesh anode. The development of a surface discharge along a dielectric plate within the hole in the anode grid is impossible due to the practically absence of the tangential component of the electric field due to the close proximity of the opposing network jumpers (the tangential fields introduced by the edge effects from these jumpers are oppositely directed and therefore compensated). In the process of formation of a cathodic potential drop, the electric field is further contracted to the surface of the dielectric plate and all the applied voltage is concentrated in the cathode region. For orientation in choosing a suitable material for the dielectric plate depending on the discharge parameters, one can use the inequality following from the analysis of the electric circuit [Ischenko V.N., Lisitsin V.P., Sorokin A.R. // Quantum Electronics, v.5, No. 4, p. 788-794, 1978]: U / E _bd <Δ <Uε / (jt _j ), where U [V] is the operating supply voltage, E _bd [V / cm] is the electric field strength of the breakdown of the dielectric material, Δ [cm] is the thickness of the dielectric plate, ε is the dielectric constant of the dielectric plate, j [A / cm ² ] is the average discharge current with a duration of t _j [sec]. Keep in mind that in a pulsed mode, E _bd can be several times higher than E _bd for a static field. The configurations of dielectric plates - 3 and other elements of the device may differ from those shown in figures 1, 2 depending on the required geometry of the electron beam, determined by the purpose of the electron beams (excitation of laser media, processing of materials, etc.). The foregoing also applies to the choice of the drift region configuration - 5.

Важный вопрос о параметрах сетчатого анода будет рассмотрен ниже.An important question about the parameters of the mesh anode will be considered below.

Для предложенного, фиг.1, устройства диэлектрическая пластина изготовлялась из керамики от конденсаторов КВИ-2: 68 пФ, 16 кВ, диэлектрическая проницаемость ε ~1000, диаметр 10 мм. Конденсатор с одной стороны сошлифовывался до размера Δ =2 мм в центре по оси, а его собственный вывод с другой стороны подключался к минусу импульсного высоковольтного источника питания. Плоская анодная сетка из молибдена толщиной 0,1 мм имела отверстия 0,17 мм, а геометрическую прозрачность μ =0,72. Для контроля тока пучка были введены коллекторная сетка (шаг 0,5 мм, μ =0,65) - 6 и коллектор - 7, расположенные соответственно в 5 и 10 мм от диэлектрической пластины, фиг.3. Эти элементы могли влиять и на сам разряд. Действительно, хотя анодная сетка с отверстиями А=0,17 мм экранирует провисание поля в глубь пространства дрейфа и концентрирует его у диэлектрика, в промежутке катод - коллекторная сетка (5 мм) может присутствовать поле, достаточное для возникновения там разряда. Поэтому, если коллекторную сетку и коллектор оставить под свободным потенциалом, отключив их, то для небольших давлений, например 30 Торр гелия, из-за роста затрудненности разряда (в промежутке диэлектрическая пластина - коллекторная сетка он теперь не формируется) многократно падает свечение газа, уменьшается разрядный ток и возрастает задержка пробоя. Однако, как было установлено, для высоких давлений, р_Hе>100 Торр, параметры разряда перестают зависеть от того, находятся ли коллекторная сетка и коллектор под свободным потенциалом или нет. Т.е. все разрядные процессы протекают в прикатодной области, куда быстро сбрасывается все приложенное напряжение, а напряжения для возникновения разряда в промежутке диэлектрическая пластина - коллекторная сетка оказывается недостаточно. Плотность всех токов определялась как отношение регистрируемого тока к активной площади катода, т.е. к суммарной площади отверстий в сетке, которая составляла - S=0,45 см². На фиг.4 приведены осциллограммы напряжения для обычного открытого разряда (d=0,6 мм), кривая - 8, и предложенного, фиг.1, барьерного разряда, кривая - 9, для 400 Торр гелия. Затрудненность барьерного разряда оказывается выше, чем для обычного открытого разряда: в два раза возросли задержка (τ 2≈ 2· τ 1) и напряжение (U2≈ 2· U1) пробоя. К тому же, в этих условиях обычный открытый разряд, в отличие от барьерного, терял устойчивость. В качестве примера приведем параметры барьерного разряда, полученные для двух давлений гелия. Для р_Hс=200 Торр: время задержки пробоя - τ =25 нс, напряжение пробоя – U_b=20 кВ, ток коллектора - j_c=40 А/см². Для р_Hе=600 Торр: τ =15 нc, U_b=6 кВ, ток коллектора j_c=8 А/см² для этого случая измерялся на меньшем расстоянии - 5 мм от поверхности диэлектрической пластины. В последнем случае ток электронного пучка мал, поскольку для U≈ 6 кВ лишь малая часть электронов пучка достигает коллектора: длина свободного пробега электронов составляет всего 1=0,2U/р_Hе=2 мм. Для ряда применений, например в газовых лазерах, требуются электронные пучки, формируемые в смесях газов различного состава. В качестве примера были проведены исследования со смесью СO₂:N₂:Не=1:1:8. В этой смеси предельное давление, при котором регистрировался ток пучка коллектором, расположенном в 5 мм от диэлектрической пластины, было в три раза меньше, чем в гелии - в смеси меньше длина пробега электронов и затрудненность разряда. Для давления смеси 200 Торр получен пучок 16 А/см² при напряжении пробоя 7,5 кВ. Во всех рассмотренных условиях разряд сохранял устойчивость. Повысить давление или напряжение горения разряда в устройстве можно, уменьшив отверстия А в сетчатом аноде - 4. Отверстия могут иметь произвольную форму, необходимо лишь размер А сохранить по одному измерению отверстия. Например, можно взять сетку в виде чередующихся полос с расстоянием между ними А. Современная техника фотолитографии позволяет формировать сетку в виде полос с размером А в несколько мкм при сохранении прозрачности сетки на уровне 0,5.For the proposed device, FIG. 1, the dielectric plate was made of ceramics from KVI-2 capacitors: 68 pF, 16 kV, dielectric constant ε ~ 1000, diameter 10 mm. The capacitor, on the one hand, was ground to a size Δ = 2 mm in the center along the axis, and its own output, on the other hand, was connected to the minus of the pulsed high-voltage power source. The flat anode mesh of molybdenum with a thickness of 0.1 mm had holes of 0.17 mm, and the geometric transparency was μ = 0.72. To control the beam current, a collector grid was introduced (pitch 0.5 mm, μ = 0.65) - 6 and collector - 7, located 5 and 10 mm from the dielectric plate, respectively, Fig. 3. These elements could influence the discharge itself. Indeed, although the anode grid with holes A = 0.17 mm screens the sagging of the field deep into the space of the drift and concentrates it near the dielectric, in the gap between the cathode and collector grid (5 mm) there can be a field sufficient for a discharge to arise there. Therefore, if the collector grid and the collector are left at free potential, turning them off, then for small pressures, for example 30 Torr helium, due to an increase in discharge difficulty (in the gap between the dielectric plate and the collector grid, it is no longer being formed), the gas glow decreases many times, decreases discharge current and breakdown delay increases. However, it was found that for high pressures, p _He > 100 Torr, the discharge parameters no longer depend on whether the collector grid and the collector are under free potential or not. Those. all discharge processes occur in the near-cathode region, where all applied voltage is quickly discharged, and the voltage is insufficient for the discharge to occur in the gap between the dielectric plate and the collector grid. The density of all currents was determined as the ratio of the recorded current to the active area of the cathode, i.e. to the total area of the holes in the grid, which was - S = 0.45 cm ² . Figure 4 shows the waveforms of voltage for a conventional open discharge (d = 0.6 mm), the curve is 8, and the proposed, Fig. 1, barrier discharge, curve 9, for 400 Torr helium. The difficulty of the barrier discharge is higher than for a conventional open discharge: the delay (τ 2≈ 2 · τ 1) and the breakdown voltage (U2≈ 2 · U1) doubled. Moreover, under these conditions, the usual open discharge, unlike the barrier discharge, lost stability. As an example, we give the parameters of a barrier discharge obtained for two helium pressures. For p _Hs = 200 Torr: breakdown delay time is τ = 25 ns, breakdown voltage is U _b = 20 kV, collector current is j _c = 40 A / cm ² . For p _He = 600 Torr: τ = 15 ns, U _b = 6 kV, the collector current j _c = 8 A / cm ² for this case was measured at a shorter distance - 5 mm from the surface of the dielectric plate. In the latter case, the electron beam current is small, since for U≈ 6 kV only a small fraction of the beam electrons reaches the collector: the mean free path of the electrons is only 1 = 0.2U / p _He = 2 mm. A number of applications, for example in gas lasers, require electron beams formed in mixtures of gases of various compositions. As an example, studies were conducted with a mixture of CO ₂ : N ₂ : He = 1: 1: 8. In this mixture, the limiting pressure at which the beam current was recorded by a collector located 5 mm from the dielectric plate was three times less than in helium - the mixture has a smaller electron mean free path and discharge difficulty. For a mixture pressure of 200 Torr, a beam of 16 A / cm ^{2 was} obtained at a breakdown voltage of 7.5 kV. Under all conditions considered, the discharge remained stable. It is possible to increase the pressure or voltage of the discharge burning in the device by decreasing the holes A in the mesh anode - 4. The holes can be of any shape, you only need to save size A in one hole measurement. For example, you can take a grid in the form of alternating strips with a distance between them A. The modern photolithography technique allows you to form a grid in the form of strips with a size A of several microns, while maintaining the transparency of the grid at 0.5.

Была опробована схема питания, фиг.5, устройства с подключением импульсного высоковольтного источника питания - 1 к катоду - 2 и дополнительному электроду - 10, роль которого выполнял сетчатый коллектор - 6 в ранее рассмотренной схеме - фиг.3. Сетчатый анод - 4 оставался под свободным потенциалом. Подобная схема питания была ранее предложена для обычного открытого разряда [Сорокин А.Р.// Письма в ЖТФ, т. 16, №8, с.27-30]. Вначале формируется обычный тлеющий разряд между сетчатым анодом и дополнительным электродом и все напряжение оказывается на промежутке катод - сетчатый анод, разряд в котором и генерирует электронный пучок. С такой схемой появляется свобода в размещении дополнительного электрода (в том числе, он может быть размещен в стороне от траектории электронного пучка) и отсутствует необходимость электрического ввода для сетчатого анода, что может быть важно для ряда применений устройства. Расстояние D между сетчатым анодом - 4 и дополнительным электродом - 10 берется таким, чтобы напряжение электрического пробоя между ними обеспечивало заданный диапазон рабочих напряжений устройства. Барьерный открытый разряд в устройстве, фиг.5, имеет ряд особенностей. Так, при достаточно высоком давлении можно подбором расстояния D существенно увеличить напряжение пробоя, теперь уже за счет большой величины параметра pD. Другая особенность связана с контрагированием обычного тлеющего разряда, начиная, например, в гелии с давления ~100 Торр. Чтобы уменьшить контракцию разряда между сетчатым анодом и дополнительным электродом сетчатый анод на диэлектрической пластине формировался путем напыления А1 (толщина слоя 1,3 мкм) в виде отдельных пятен 25× 25 мкм с шагом 50 мкм, так что геометрическая прозрачность анодной сетки составляла μ =0,75. Дополнительный электрод - 10 в виде сетки (шаг 0,5 мм, μ =0,65) располагался в 6 мм от диэлектрической пластины. Для давления гелия р_Hе=600 Торр параметры разряда получились следующими, фиг.6: время задержки пробоя - τ =22 нc, напряжение пробоя - U_b=12 кВ, ток коллектора - j_c=25 А/см², измеренный на расстоянии 11 мм от поверхности диэлектрической пластины, что существенно лучше, чем параметры, полученные со схемой питания на фиг.1. С анодной сеткой в виде отдельных пятен удалось существенно подавить контракцию разряда в промежутке сетчатый анод - дополнительный электрод. Однако плотность тока этого разряда на пятна при повышенных давлениях оказалась достаточно высокой, чтобы пятна подверглись значительной эрозии, из-за катодного распыления. Поэтому, если в этом нет большой необходимости, с такой схемой рекомендуется работать при меньших давлениях - в гелии при ~ 100 Торр, что все еще существенно выше, чем в аналоге и прототипе. Верхний предел рабочего напряжения также ограничен приемлемым катодным распылением анодной сетки - 4.A power circuit was tested, FIG. 5, devices with a pulsed high-voltage power supply - 1 connected to a cathode - 2 and an additional electrode - 10, whose role was played by a grid collector - 6 in the previously considered circuit - Fig. 3. The mesh anode - 4 remained under free potential. A similar power scheme was previously proposed for a conventional open discharge [Sorokin A.R.// Letters to the ZhTF, v. 16, No. 8, pp. 27-30]. Initially, a normal glow discharge is formed between the mesh anode and the additional electrode, and all the voltage is in the cathode – mesh anode gap, in which the electron beam is generated. With such a scheme, freedom appears in the placement of an additional electrode (including, it can be placed away from the path of the electron beam) and there is no need for an electrical input for the mesh anode, which can be important for a number of applications of the device. The distance D between the mesh anode - 4 and the additional electrode - 10 is taken so that the voltage of electrical breakdown between them provides a given range of operating voltage of the device. Barrier open discharge in the device, figure 5, has a number of features. So, at a sufficiently high pressure, by selecting the distance D, the breakdown voltage can be significantly increased, now due to the large value of the parameter pD. Another feature is related to the contraction of a conventional glow discharge, starting, for example, in helium from a pressure of ~ 100 Torr. To reduce the contraction of the discharge between the mesh anode and the additional electrode, the mesh anode on the dielectric plate was formed by spraying A1 (layer thickness 1.3 μm) in the form of individual spots 25 × 25 μm with a step of 50 μm, so that the geometric transparency of the anode grid was μ = 0 , 75. An additional electrode - 10 in the form of a grid (step 0.5 mm, μ = 0.65) was located 6 mm from the dielectric plate. For helium pressure p _He = 600 Torr, the discharge parameters were as follows, Fig. 6: breakdown delay time - τ = 22 ns, breakdown voltage - U _b = 12 kV, collector current - j _c = 25 A / cm ² , measured at a distance 11 mm from the surface of the dielectric plate, which is significantly better than the parameters obtained with the power circuit in figure 1. With the anode grid in the form of separate spots, it was possible to significantly suppress the contraction of the discharge in the gap between the mesh anode and the additional electrode. However, the current density of this discharge into spots at elevated pressures was high enough so that the spots underwent significant erosion due to cathodic sputtering. Therefore, if this is not very necessary, it is recommended to work with such a scheme at lower pressures - in helium at ~ 100 Torr, which is still significantly higher than in the analogue and prototype. The upper limit of the operating voltage is also limited by the acceptable cathodic sputtering of the anode grid - 4.

Claims (2)

1. Импульсный газоразрядный источник электронного пучка, содержащий катод, на рабочей поверхности которого расположена диэлектрическая пластина, сетчатый анод, область дрейфа электронного пучка за сетчатым анодом, размещенные в газоразрядной камере, и импульсный высоковольтный источник питания, подключенный к катоду и сетчатому аноду, отличающийся тем, что сетчатый анод расположен непосредственно на поверхности диэлектрической пластины.1. A pulsed gas-discharge source of an electron beam containing a cathode, on the working surface of which there is a dielectric plate, a mesh anode, a drift region of the electron beam behind the mesh anode, located in the gas-discharge chamber, and a pulsed high-voltage power source connected to the cathode and the mesh anode, characterized in that the mesh anode is located directly on the surface of the dielectric plate. 2. Импульсный газоразрядный источник электронного пучка, содержащий катод, на рабочей поверхности которого расположена диэлектрическая пластина, сетчатый анод, область дрейфа электронного пучка за сетчатым анодом, размещенные в газоразрядной камере, и импульсный высоковольтный источник питания, отличающийся тем, что сетчатый анод расположен непосредственно на поверхности диэлектрической пластины, кроме того, в газоразрядной камере размещен дополнительный электрод, причем расстояние между сетчатым анодом и дополнительным электродом подбирают таким, чтобы напряжение электрического пробоя между ними обеспечивало заданный диапазон рабочих напряжений устройства, а импульсный высоковольтный источник питания подключен к катоду и дополнительному электроду.2. A pulsed gas-discharge electron beam source containing a cathode, on the working surface of which there is a dielectric plate, a mesh anode, an electron beam drift region behind the mesh anode, located in the gas-discharge chamber, and a pulsed high-voltage power source, characterized in that the mesh anode is located directly on the surface of the dielectric plate, in addition, an additional electrode is placed in the gas discharge chamber, the distance between the mesh anode and the additional electrode selected so that the voltage of electrical breakdown between them provides a given range of operating voltage of the device, and a pulsed high-voltage power source is connected to the cathode and an additional electrode.

Images