RU2360320C1 - Source of electrons - Google Patents

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: invention relates to the technique of high-current electronic beams generation with big area of cross section. The invention may be used for exciting inducing heavy-duty gas lasers and in other process such as modification of item surface, radiation technology and gas cleaning. The source of electrons consists of a cathode, anode and foil inserted into vacuum chamber. The foil is located between cathode and anode and blocks the electronic beam along the whole cross section. The foil is separated into sections. The foil sections being under high density electronic beam are heated, where as other foil sections having low-density current have heat contact with anode.

EFFECT: high evenness of current density distribution along anode surface.

2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к технике генерирования сильноточных электронных пучков с большой площадью поперечного сечения и может быть использовано для возбуждения мощных газовых лазеров, а также в технологических процессах: модификация поверхности изделий, радиационная технология, газоочистка.The invention relates to techniques for generating high-current electron beams with a large cross-sectional area and can be used to excite high-power gas lasers, as well as in technological processes: surface modification of products, radiation technology, gas purification.

Известны источники электронов, содержащие взрывоэмиссионный катод и анод, функции которых выполняет фольговое окно, состоящее из опорной структуры и тонкой металлической фольги, прозрачной для электронов пучка [1]. Такие источники позволяют формировать электронные пучки большого сечения в отсутствие внешнего ведущего магнитного поля и выводить их из межэлектродного промежутка в газ с давлением, равным атмосферному или более высоким.Known electron sources containing an explosion-emission cathode and anode, the functions of which are performed by a foil window consisting of a support structure and a thin metal foil transparent to the beam electrons [1]. Such sources make it possible to form electron beams of large cross section in the absence of an external leading magnetic field and to remove them from the interelectrode gap into a gas with a pressure equal to atmospheric or higher.

Недостатком таких источников является увеличение плотности тока вблизи оси пучка или плоскости симметрии, в случае пучка прямоугольного сечения, под действием собственного магнитного поля тока пучка и плазмы, образующейся в результате ионизации выделяемого с анода газа. Появление области с высокой плотностью тока приводит к нагреву анодной фольги и может быть причиной ее разрушения, ограничивает длительность импульса и величину тока пучка.The disadvantage of such sources is an increase in the current density near the axis of the beam or plane of symmetry, in the case of a beam of rectangular cross section, under the action of the intrinsic magnetic field of the beam current and plasma formed as a result of ionization of the gas released from the anode. The appearance of a region with a high current density leads to heating of the anode foil and can cause its destruction, limits the pulse duration and the beam current.

Известны также источники электронов, в которых для повышения надежности работы источника между катодом и анодом устанавливается предфольга, тонкая металлическая фольга, прозрачная для электронов пучка, перекрывающая все поперечное сечение пучка, находящаяся под анодным потенциалом [2]. В отличие от анодной фольги предфольга не удерживает перепада давлений, поэтому она сохраняет механическую прочность при нагреве до более высоких температур, одновременно защищает анодную фольгу от поступления низкоэнергетических электронов на фронте и спаде импульса напряжения, что и приводит к повышению надежности работы источника электронов.Electron sources are also known in which, to increase the reliability of the source, a pre-foil is installed between the cathode and the anode, a thin metal foil transparent to the beam electrons, covering the entire beam cross section under the anode potential [2]. Unlike the anode foil, the prefoil does not hold the pressure drop, therefore, it retains mechanical strength when heated to higher temperatures, while protecting the anode foil from low-energy electrons at the front and the decay of the voltage pulse, which leads to an increase in the reliability of the electron source.

Недостатком источников является неравномерное распределение плотности тока в отсутствие ведущего магнитного поля за счет влияния собственного магнитного поля тока пучка и плазмы, образующейся в результате газовыделения с предфольги.The disadvantage of the sources is the uneven distribution of current density in the absence of a leading magnetic field due to the influence of the intrinsic magnetic field of the beam current and the plasma formed as a result of gas evolution from the pre-foil.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению аналогом, взятым нами за прототип, является источник электронов, в котором для увеличения длительности и стабильности тока электронного пучка между катодом и анодом устанавливается тонкая, электрически соединенная с анодом, прозрачная для электронов теплоизолированная металлическая фольга, перекрывающая пучок электронов по всему его поперечному сечению [3]. В процессе работы источника часть энергии электронного пучка теряется в фольге, приводя к ее нагреву. Благодаря теплоизоляции остывание фольги происходит медленно, что приводит к обезгаживанию фольги, уменьшению количества выделяемого газа при последующих импульсах электронного тока, увеличению длительности импульса тока пучка.The closest analogue to the proposed invention, which we took as a prototype, is an electron source, in which to increase the duration and stability of the electron beam current between the cathode and the anode, a thin thermally insulated metal foil transparent to electrons is connected between the cathode and the anode, blocking the electron beam throughout its cross section [3]. During the operation of the source, part of the energy of the electron beam is lost in the foil, leading to its heating. Thanks to thermal insulation, the cooling of the foil is slow, which leads to the degassing of the foil, a decrease in the amount of gas emitted during subsequent pulses of the electron current, and an increase in the duration of the beam current pulse.

Недостатком источника является малая степень обезгаживания фольги на участках с повышенной плотностью тока в результате охлаждения за счет теплопроводности фольги.The disadvantage of the source is the low degree of degassing of the foil in areas with increased current density as a result of cooling due to the thermal conductivity of the foil.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение равномерности распределения плотности тока по поверхности анода.The technical result of the invention is to increase the uniformity of the distribution of current density over the surface of the anode.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном источнике электронов, содержащем в вакуумной камере катод, анод и размещенную между ними и перекрывающую электронный пучок по всему поперечному сечению, теплоизолированную нагреваемую фольгу, электрически соединенную с анодом, согласно изобретению фольга выполнена секционированной, при этом теплоизолированы только участки фольги, находящиеся под воздействием электронного пучка повышенной плотности, а участки с пониженной плотностью тока имеют тепловой контакт с анодом.The specified technical result during the implementation of the invention is achieved by the fact that in a known electron source containing a cathode, an anode and placed between them and blocking the electron beam over the entire cross section, a thermally insulated heated foil electrically connected to the anode, according to the invention, the foil is made sectioned, in this case, only sections of the foil that are under the influence of an electron beam of increased density are insulated, and sections with a reduced current density have thermal contact with the anode.

Кроме того, нагрев теплоизолированных участков фольги может осуществляться как в результате поглощения части энергии электронов пучка, так и пропусканием через фольгу тока от вспомогательного источника.In addition, the heat-insulated sections of the foil can be heated both as a result of the absorption of a part of the electron energy of the beam and by passing current from the auxiliary source through the foil.

Уменьшение количества десорбированного газа, поступающего с теплоизолированных участков фольги в процессе работы источника, приводит к снижению плотности тока на участках, где она высока. В то же время газовыделение с нетеплоизолированных и имеющих тепловой контакт с анодом участков остается более интенсивным, что приводит к увеличению плотности тока на этих участках и, в целом, более равномерному распределению тока пучка по поверхности анода.A decrease in the amount of desorbed gas coming from thermally insulated sections of the foil during source operation leads to a decrease in the current density in areas where it is high. At the same time, gas evolution from areas that are not thermally insulated and that have thermal contact with the anode remains more intense, which leads to an increase in the current density in these areas and, in general, a more uniform distribution of the beam current over the anode surface.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом. Источник электронов, формирующий электронный пучок прямоугольного сечения 25×100 см², содержит вакуумную камеру 1, генератор Маркса с вакуумной изоляцией 2, на последней ступени которого закреплен катод 3 с эмитирующей поверхностью на основе углеграфитового материала, покрытого бархатом. Титановая анодная фольга 4 толщиной 40 мкм прижимается давлением к ребрам опорной структуры. Дополнительная Фольга из титана толщиной 20 мкм или сплава АМГ 5 толщиной 50 мкм (предфольга) секционирована на три полосы с размерами 10×100 см², имеющие электрический контакт с анодом. Центральная полоса 5, на которую поступает электронный пучок с повышенной плотностью тока, изготавливается теплоизолированной, оставшиеся две полосы 6 имеют тепловой контакт вдоль длинной стороны со стенками камеры, обеспечивающий остывание фольги за время между импульсами. Поперечные размеры дополнительной фольги выбирают большими поперечного сечения пучка, чтобы исключить поступление в ускоряющий промежуток десорбированного газа и плазмы с анодной фольги.The essence of the invention is illustrated in the drawing. The electron source forming an electron beam of rectangular cross section 25 × 100 cm ² contains a vacuum chamber 1, a Marx generator with vacuum insulation 2, at the last stage of which a cathode 3 with an emitting surface based on carbon-graphite material coated with velvet is fixed. A titanium anode foil 4 with a thickness of 40 μm is pressed by pressure to the ribs of the supporting structure. An additional foil of titanium with a thickness of 20 μm or an alloy AMG 5 with a thickness of 50 μm (pre-foil) is partitioned into three strips with dimensions 10 × 100 cm ² having electrical contact with the anode. The central strip 5, which receives an electron beam with an increased current density, is made insulated, the remaining two strips 6 have thermal contact along the long side with the walls of the chamber, which ensures cooling of the foil during the time between pulses. The transverse dimensions of the additional foil are chosen to be large in cross section of the beam in order to exclude the entry of desorbed gas and plasma from the anode foil into the accelerating gap.

При приложении импульса напряжения к межэлектродному промежутку на катоде образуется плазма, эмитирующая электронный пучок. Электроны пучка проходят через секционированную фольгу, а затем через анодную фольгу и инжектируются в газ. Уменьшение количества десорбированного газа, поступающего с теплоизолированных участков фольги в процессе работы источника, приводит к снижению плотности тока на участках, где она высока. В то же время газовыделение с нетеплоизолированных участков остается более интенсивным, что приводит к увеличению плотности тока на этих участках и, в целом, более равномерному распределению тока пучка по поверхности анода.When a voltage pulse is applied to the interelectrode gap, a plasma is emitted at the cathode, emitting an electron beam. The beam electrons pass through a sectioned foil, and then through the anode foil and are injected into the gas. A decrease in the amount of desorbed gas coming from thermally insulated sections of the foil during source operation leads to a decrease in the current density in areas where it is high. At the same time, gas evolution from non-insulated areas remains more intense, which leads to an increase in current density in these areas and, in general, a more uniform distribution of the beam current over the anode surface.

Источники информацииInformation sources

1. Абдуллин Э.Н., Беломытцев С.Я., Бугаев С.П., Горбачев С.И., Заславский В.М., Зорин В.П., Ковальчук Б.М., Логинов С.В., МатюковЮ.Н., Распутин P.M., Толкачев B.C., Щанин П.М. Генерация сильноточного электронного пучка большого сечения. // Физика плазмы. - 1991. - Т.17. - В.6. - С.741-745.1. Abdullin E.N., Belomyttsev S.Ya., Bugaev S.P., Gorbachev S.I., Zaslavsky V.M., Zorin V.P., Kovalchuk B.M., Loginov S.V., Matyukov Yu.N., Rasputin PM, Tolkachev BC, Shchanin P.M. Generation of a high-current electron beam of large cross section. // Plasma physics. - 1991. - T.17. - AT 6. - S.741-745.

2. Okudo I., Owanado Y. E-Beam deposition simulation for ASHURA - Amp 4 // Proc. III Workshop on KrF Laser Technology. Workshop 1 - Pulsed Power. - Rutherford Appleton Laboratory, 1992. - PP.10.2. Okudo I., Owanado Y. E-Beam deposition simulation for ASHURA - Amp 4 // Proc. III Workshop on KrF Laser Technology. Workshop 1 - Pulsed Power. - Rutherford Appleton Laboratory, 1992. - PP.10.

3. A.c. 1207325. Приоритет 29.12.83. Опубл. 20.08.2007. // Бюл. Роспатента «Изобретения. Полезные модели» .- 2007. - №23.3. A.c. 1207325. Priority 12.29.83. Publ. 08/20/2007. // Bull. Rospatent “Inventions. Utility Models .- 2007. - No. 23.

Claims (2)

1. Источник электронов, содержащий в вакуумной камере катод, анод и размещенную между ними и перекрывающую электронный пучок по всему поперечному сечению теплоизолированную нагреваемую фольгу, электрически соединенную с анодом, отличающийся тем, что фольга выполнена секционированной, при этом теплоизолированы только участки фольги, находящиеся под воздействием электронного пучка повышенной плотности, а участки с пониженной плотностью тока имеют тепловой контакт с анодом.1. An electron source containing a cathode in the vacuum chamber, an anode and a thermally insulated heated foil electrically connected to the anode placed between them and blocking the electron beam over the entire cross section, characterized in that the foil is sectioned, only the sections of the foil under exposure to an electron beam of increased density, and areas with a reduced current density have thermal contact with the anode. 2. Источник электронов по п.1, отличающийся тем, что секционированные теплоизолированные участки фольги соединены с вспомогательным источником тока. 2. The electron source according to claim 1, characterized in that the partitioned thermally insulated sections of the foil are connected to an auxiliary current source.