электронная отпаянная пушка для вывода ленточного электронного потока из вакуумной области пушки в атмосферу или иную газовую среду

Формула изобретения

1. Электронная отпаянная пушка для вывода ленточного электронного потока из вакуумной области пушки в атмосферу или иную газовую среду, содержащая корпус в виде металлической трубы прямоугольного сечения, в торцевой части которой расположено окно вывода электронов, выполненное в виде фольги, вакуумно-плотно соединенной с опорным основанием окна, и расположенные в корпусе соосно ленточный катод, продольная ось которого параллельна продольной оси окна вывода электронов, первый фокусирующий электрод и размещенный вблизи катода между катодом и первым фокусирующим электродом второй фокусирующий электрод, причем каждый из фокусирующих электродов электрически соединен с катодом, находится под потенциалом катода и выполнен в виде металлической трубы прямоугольного сечения, один из концов которой снабжен торцевой стенкой с расположенным в центральной ее части сквозным прямоугольным отверстием для пропускания электронного потока от катода пушки к окну вывода электронов, отличающаяся тем, что в каждой из широких боковых стенок первого фокусирующего электрода выполнены две идентичные по форме и равные по длине щели, расположенные вдоль оси, параллельной продольной оси катода, и выполненные симметрично относительно плоскости, проходящей через ось первого фокусирующего электрода перпендикулярно его широкой боковой стенке, при этом размещенные со стороны узких боковых стенок первого фокусирующего электрода боковые кромки щелей расположены в плоскостях, совпадающих с плоскостями боковых поверхностей катода, и, по крайней мере, одна из продольных кромок каждой щели расположена над плоскостью излучающей поверхности катода.

2. Электронная отпаянная пушка по п.1, отличающаяся тем, что щель выполнена в виде вытянутых в осевом направлении треугольника или трапеции, либо сопряженных в том же направлении прямоугольника и трапеции или прямоугольника и треугольника, причем щель имеет наибольшую ширину на конце, обращенном в сторону близлежащей узкой боковой стенки первого фокусирующего электрода.

3. Электронная отпаянная пушка по п.1, отличающаяся тем, что щель выполнена в виде вытянутого в осевом направлении прямоугольника.

4. Электронная отпаянная пушка по п.1, или 2, или 3, отличающаяся тем, что длина щели Lщ выбрана из условия Lщ<Lк/4, где Lк - длина катода вдоль его продольной оси.

5. Электронная отпаянная пушка по п.1, или 2, или 3, отличающаяся тем, что ширина щели Тщ выбрана из условия ТщТф1, где Тф1 - ширина внутреннего поперечного сечения трубы первого фокусирующего электрода.

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к электронной технике, а именно к электронным пушкам, обеспечивающим вывод электронного потока из вакуумной области пушки в атмосферу или иную газовую среду, и предназначено для использования, например, в области медицины: стерилизация медицинских инструментов, имплантируемых изделий и материалов. Оно может быть использовано также для радиационной полимеризации, для радиационной модификации полиэтилена и других полимеров, для исследований воздействия радиации на свойства различных материалов. Изобретение может быть также использовано и для создания электроионизационных лазеров.

Уровень техники

Радиационная обработка с помощью потока ускоренных электронов является высокопроизводительным, надежным и экологически чистым способом стерилизации изделий и материалов. Она широко применяется и в других областях радиационной технологии.

Для радиационной обработки используются различные конструкции пушек. Эти пушки содержат катод, фокусирующий электрод и анод с окном вывода электронов, через которое формируемый в вакуумной области электронный поток выводится в атмосферу или иную газовую среду.

Известна электронная пушка для формирования электронного потока с большим поперечным сечением [1]. Пушка содержит соосно расположенные цилиндрический катод с торцевой сферической эмиттирующей поверхностью, первый фокусирующий электрод, имеющий форму цилиндрического стакана с пролетным отверстием в торцевой части, и анод, выполненный в виде полого цилиндра, в торцевой части которого вакуумно-плотно размещено окно вывода электронов, при этом в центре сферической поверхности катода сделан неэмиттирующий участок, а в боковой цилиндрической части фокусирующего электрода выполнена сквозная кольцевая проточка с перемычками.

В этой пушке формируется расходящийся электронный поток с равномерным распределением плотности тока на окне, при этом размеры электронного потока на окне существенно больше радиуса катода. Однако в такой пушке электронный поток на окне имеет форму круга, что существенно ограничивает области ее применения.

Известна электронная отпаянная пушка, выводящая протяженный электронный пучок из вакуумной области пушки в атмосферу или иную газовую среду [2]. Пушка содержит корпус (анод), выполненный в виде металлической трубы прямоугольного сечения, в торцевой части которого расположено окно вывода электронов. Окно представляет собой тонкую металлическую фольгу, вакуумно-плотно соединенную с поверхностью основания окна в виде решетки, в которой имеются круглые, сотовые или прямоугольные отверстия для прохождения электронного потока и перемычки между отверстиями. Внутри корпуса расположен ряд круглых катодов, каждый из которых окружен фокусирующим электродом цилиндрической формы. В области каждого катода создается расходящийся электронный поток, в результате суммарного действия всех катодов на окне формируется протяженный электронный поток. Однако для достижения однородной плотности тока на окне вывода электронов в такой пушке необходимо осуществлять перекрытие электронных потоков. При этом часть электронного потока оседает на боковые стенки анода, что приводит к снижению КПД пушки.

Наиболее близкой по технической сущности (прототипом) является электронная отпаянная пушка для вывода ленточного электронного потока из вакуумной области пушки в атмосферу или иную газовую среду [3]. Она содержит соосно расположенные катод и первый фокусирующий электрод, а также корпус в виде металлической трубы прямоугольного сечения, в торцевой части которой расположено окно вывода электронов, выполненное в виде фольги, вакуумно-плотно соединенной с опорным основанием окна, при этом катод пушки выполнен в виде ряда элементарных ленточных катодов, расположенных последовательно вдоль общей оси, параллельной продольной оси окна вывода электронов, между катодом и первым фокусирующим электродом размещен второй фокусирующий электрод, расположенный вблизи катода пушки, при этом первый и второй фокусирующие электроды расположены соосно и каждый из них выполнен в виде металлической трубы прямоугольного сечения, один из концов которой снабжен торцевой стенкой с расположенным в центральной ее части сквозным прямоугольным отверстием для пропускания электронного потока от катода пушки к окну вывода электронов, причем размеры прямоугольного отверстия в торцевой стенке второго фокусирующего электрода близки размерам катода, оба фокусирующих электрода электрически соединены с катодом и находятся под потенциалом катода. Конструкция пушки обеспечивает равномерное распределение плотности тока электронного потока на катоде и по площади окна вывода электронов в вакуумной области пушки. Однако она имеет существенный недостаток: плотность тока вдоль продольной оси окна вывода электронов в зоне облучения объекта (во вневакуумной области пушки) уменьшается по мере приближения к боковым краям окна, что снижает эффективность использования длинного ленточного катода и, в конечном итоге, снижает КПД электронной пушки.

Раскрытие изобретения

Актуальной задачей в настоящее время является создание энергетически выгодных, удобных в эксплуатации, надежных и компактных электронных отпаянных пушек, которые бы выводили из вакуумной области пушки в атмосферу или иную газовую среду протяженный широкий электронный поток с равномерным распределением плотности тока вдоль продольной оси окна вывода электронов на всей его длине в зоне облучения объекта. На основе таких пушек можно создавать компактные установки для радиационной обработки изделий и материалов. Указанная задача решается с помощью данного изобретения.

Предлагается электронная отпаянная пушка для вывода ленточного электронного потока из вакуумной области пушки в атмосферу или иную газовую среду, содержащая корпус в виде металлической трубы прямоугольного сечения, в торцевой части которой расположено окно вывода электронов, выполненное в виде фольги, вакуумно-плотно соединенной с опорным основанием окна, и расположенные в корпусе соосно ленточный катод, продольная ось которого параллельна продольной оси окна вывода электронов, первый фокусирующий электрод и размещенный вблизи катода между катодом и первым фокусирующим электродом второй фокусирующий электрод, причем каждый из фокусирующих электродов электрически соединен с катодом, находится под потенциалом катода и выполнен в виде металлической трубы прямоугольного сечения, один из концов которой снабжен торцевой стенкой с расположенным в центральной ее части сквозным прямоугольным отверстием для пропускания электронного потока от катода пушки к окну вывода электронов, при этом в каждой из широких боковых стенок первого фокусирующего электрода выполнены две идентичные по форме и равные по длине щели, расположенные вдоль оси, параллельной продольной оси катода, и выполненные симметрично относительно плоскости, проходящей через ось первого фокусирующего электрода перпендикулярно его широкой боковой стенке, при этом размещенные со стороны узких боковых стенок первого фокусирующего электрода боковые кромки щелей расположены в плоскостях, совпадающих с плоскостями боковых поверхностей катода, и, по крайней мере, одна из продольных кромок каждой щели расположена над плоскостью излучающей поверхности катода.

Предлагается вариант выполнения электронной отпаянной пушки согласно изобретению, в котором щель выполнена в виде вытянутых в осевом направлении треугольника или трапеции, либо сопряженных в том же направлении прямоугольника и трапеции или прямоугольника и треугольника, причем щель имеет наибольшую ширину на конце, обращенном в сторону близлежащей узкой боковой стенки первого фокусирующего электрода. Щель может быть выполнена также в виде вытянутого в осевом направлении прямоугольника.

Предлагается вариант выполнения электронной отпаянной пушки согласно изобретению, в котором длина щели Lщ меньше или равна одной четверти длины катода Lк вдоль его продольной оси.

Предлагается вариант выполнения электронной отпаянной пушки согласно изобретению, в котором ширина щели Tщ меньше или равна ширине внутреннего поперечного сечения трубы первого фокусирующего электрода Тф1.

Выполнение в каждой из широких боковых стенок первого фокусирующего электрода двух идентичных по форме и равных по длине щелей, расположенных вдоль оси, параллельной продольной оси катода, и выполненных симметрично относительно плоскости, проходящей через ось первого фокусирующего электрода перпендикулярно его широкой боковой стенке, увеличивает проницаемость электрического поля анода в прикатодную область пушки в местах расположения щелей в боковых стенках трубы первого фокусирующего электрода, что позволяет повысить плотность тока на участках катода, расположенных вблизи его боковых краев и на краевых участках поверхности окна вывода электронов, обращенной в сторону катода, и тем самым компенсировать снижение плотности тока на участках вблизи боковых краев окна вывода электронов во вневакуумной области пушки (в пределах длины окна вывода вдоль его продольной оси), связанное с выходом электронов за пределы площади окна вывода электронов из-за рассеяния парциальных микропучков на фольге в периферийных отверстиях окна вывода электронов. При этом расположение боковых кромок щелей в плоскостях, совпадающих с плоскостями боковых поверхностей катода, и, по крайней мере, одной из продольных кромок над излучающей поверхностью катода позволяет обеспечить на участках вблизи катода и на краевых участках обращенной в сторону катода внутренней поверхности окна вывода электронов величину плотности тока, достаточную для получения равномерного распределения плотности тока (удельной мощности облучения) вдоль продольной оси окна вывода электронов по всей его длине в зоне облучения объекта.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 представлена электронная отпаянная пушка, вид спереди.

На фиг.2 - то же, разрез А-А.

На фиг.3 представлен первый фокусирующий электрод с боковыми продольными щелями согласно изобретению.

На фиг.4 представлены результаты компьютерного моделирования траекторий электронов ленточного электронного потока относительно первого фокусирующего электрода.

На фиг.5 представлены результаты компьютерного моделирования плотности тока J на катоде (фиг.5а) и на внутренней поверхности окна вывода (фиг.5б) электронной отпаянной пушки согласно предложенному изобретению.

На фиг.6 представлены результаты компьютерного моделирования плотности тока J на катоде (фиг.6а) и на внутренней поверхности окна вывода (фиг.6б) электронной отпаянной пушки-прототипа.

На фиг.7 представлены экспериментальные кривые распределения нормированной плотности тока J/Jmax вдоль продольной оси окна вывода электронов в зоне облучения объекта, полученные в результате использования электронной отпаянной пушки согласно заявленному изобретению (кривая 1) и пушки-прототипа (кривая 2).

Осуществление изобретения

Электронная отпаянная пушка для вывода ленточного электронного потока из вакуумной области пушки в атмосферу или иную газовую среду, один из вариантов выполнения которой показан на фиг.1 и 2, содержит следующие основные элементы:

- катод, выполненный в виде расположенных в ряд на одной оси элементарных ленточных катодов 1 с эмиттирующими поверхностями 2 (возможно также выполнение катода в виде одного сплошного ленточного катода);

- держатель 3 катода;

- высоковольтный изолятор 4;

- первый фокусирующий электрод 5 (изображен на фиг.3) со сквозным отверстием 6 в торцевой и сквозными щелевыми отверстиями 7 в широких боковых стенках;

- второй фокусирующий электрод 8 со сквозным отверстием 9;

- корпус пушки 10;

- окно вывода электронов 11, вакуумно-плотно установленное в торцевой части корпуса 10, выполненное в виде фольги 12, вакуумно-плотно соединенной с опорным основанием 13, выполненным в виде решетки со щелями 14 и перемычками 15;

- встроенный миниатюрный электроразрядный насос 16.

Пунктиром 17, 18 на фиг.1 и 2 схематически показаны огибающие границ электронного потока.

В пушке могут быть использованы ленточные катоды различных типов: прямонакальные, подогревные, ненакаливаемые. Элементарные ленточные катоды, например металлопористые, оксидные, устанавливают в предлагаемой конструкции пушки с технологическими зазорами 19 между ними. Размеры зазоров выбраны так, что при подаче накала на катоды в результате теплового расширения элементарные ленточные катоды плотно примыкают друг другу, создавая непрерывную эмиттирующую поверхность катода. Эмиттирующие поверхности элементарных ленточных катодов, которые могут иметь плоскую или цилиндрическую (выпуклую, вогнутую) формы, обращены в сторону окна вывода электронов. Внутри держателя 3 катода находятся один или несколько проводников, по которым подается ток накала на элементарные ленточные катоды.

Высоковольтный изолятор 4 обеспечивает электрическую прочность при подаче высокого напряжения между катодом и корпусом пушки.

Первый фокусирующий электрод 5 выполнен в виде металлической трубы прямоугольного сечения, один из концов которой снабжен торцевой стенкой с расположенной в центральной ее части сквозным прямоугольным отверстием 6 для пропускания электронного потока от катода пушки к окну вывода электронов 11 и сквозными щелевыми отверстиями 7 в широких боковых стенках трубы для формирования требуемого распределения плотности тока электронного потока в зоне облучения объекта.

Второй фокусирующий электрод 8, размещенный между катодом и первым фокусирующим электродом 5, расположен вблизи эмиттирующей поверхности катода пушки соосно относительно первого фокусирующего электрода и катода пушки. Второй фокусирующий электрод 8 выполнен также в виде металлической трубы прямоугольного сечения, один из ее концов снабжен торцевой стенкой с расположенной в центральной ее части сквозным прямоугольным отверстием 9 для пропускания электронного потока.

При этом форма отверстий в торцевых стенках первого и второго фокусирующих электродов подобна форме проекции эмиттирующей части катода на плоскость, параллельную окну, а размеры отверстия в торцевой стенке второго фокусирующего электрода 8 близки размерам торцевой части катода. Оба фокусирующих электрода электрически соединены с катодом и находятся под потенциалом катода.

Корпус пушки 10 выполнен также в виде металлической трубы прямоугольного сечения, охватывает фокусирующие электроды и катод и расположен соосно им.

В торцевой части корпуса вакуумно-плотно установлено окно вывода электронов 11, которое выполнено в виде фольги 12, вакуумно-плотно соединенной с опорным основанием 13 в виде металлической решетки со щелями 14 для прохождения электронного потока. Перемычки 15 между щелями решетки создают жесткость окна и обеспечивают теплоотвод от фольги к охлаждаемому опорному основанию.

Миниатюрный встроенный в отпаянную электронную пушку электроразрядный насос 16 служит для поддержания высокого вакуума в пушке во время ее эксплуатации. Малые размеры насоса и отсутствие разъемных соединений позволяют создать весьма компактную электронную отпаянную пушку и компактные установки на ее основе.

Электронная отпаянная пушка, приведенная на фиг.1, 2, работает следующим образом.

Между катодом и корпусом пушки подается высокое напряжение (˜200 кВ). Под воздействием первого и второго фокусирующих электродов в прикатодной области создается распределение электрического поля, обеспечивающее формирование протяженного электронного пучка, расходящегося на всю ширину окна вывода электронов. Одновременно под воздействием электрического поля анода, проникающего на края катода сквозь щелевые отверстия в широких боковых стенках первого фокусирующего электрода, на участках поверхности катода, расположенных напротив щелевых отверстий, увеличивается плотность отбираемого с катода тока. Таким образом, распределение плотности тока на данных участках катода может быть задано в необходимых пределах путем изменения конфигурации щелевых отверстий и их расположения относительно краев катода. Под воздействием электрического поля, создаваемого совокупностью всех электродов пушки (катода, первого и второго фокусирующих электродов, анода), а также собственного поля пространственного заряда электронного потока на внутренней поверхности окна вывода электронов формируется ленточный электронный поток, оптимальная протяженность которого вдоль продольной оси окна вывода электронного потока равна длине катода в том же направлении, а распределение плотности тока на внутренней обращенной в сторону катода поверхности окна вывода вдоль его продольной оси имеет форму, близкую форме распределения плотности тока вдоль продольной оси катода. Указанное распределение плотности тока в совокупности с рассеивающим действием окна вывода электронов в свою очередь определяют распределение плотности тока в зоне облучения объекта, расположенной во вневакуумной области на заданном расстоянии от окна. Рассеяния электронов за окном вывода электронов зависит от большого количества разных факторов: размеров и конфигурации отверстий, толщины и свойств фольги, свойств атмосферной или иной газовой среды. Непосредственно за окном вывода электронов во вневакуумной области пушки в распределении плотности тока отображаются «следы» отверстий в окне, а в зоне облучения объекта (на расстоянии от окна вывода электронов порядка 30 мм) плотность тока в каждой точке формируется в результате сложения плотностей тока от всех окружающих данную точку парциальных пучков, претерпевших рассеяние в отверстиях окна вывода электронов после прохождения их сквозь фольгу. В центральной области окна вывода электронов плотность тока в каждой точке создается в результате сложения плотностей тока близко расположенных и окружающих ее со всех сторон парциальных пучков, благодаря чему на данном участке зоны облучения объекта равномерная плотность тока достигается при равномерной плотности тока на внутренней поверхности окна вывода электронов, обращенной в сторону катода. На краях окна вывода электронов вдоль его продольной оси по мере приближения к ним нарушается симметрия расположения отверстий относительно рассматриваемой точки пространства, вследствие чего определенная доля тока из расположенных на периферии отверстий в окне вывода электронов выбывает за пределы площади окна. Это приводит к тому, что плотность тока вдоль продольной оси окна вывода электронов снижается по мере приближения к боковым краям окна. Компенсировать эти потери можно путем увеличения плотности тока пучков, проходящих через периферийные отверстия, за счет соответствующего увеличения плотности тока на внутренней обращенной в сторону катода поверхности окна вывода электронов вдоль его продольной оси по направлению к боковым краям.

Это достигается за счет выполнения в каждой из широких боковых стенок первого фокусирующего электрода двух идентичных по форме и равных по длине щелей, расположенных вдоль оси, параллельной продольной оси катода, и выполненных симметрично относительно плоскости, проходящей через ось первого фокусирующего электрода перпендикулярно его широкой боковой стенке.

Расположение боковых кромок щелей в плоскостях, совпадающих с плоскостями боковых поверхностей катода, и, по крайней мере, одной из продольных кромок над излучающей поверхностью катода позволяет обеспечить требуемый уровень превышения плотности тока по краям окна по сравнению с плотностью тока в его центре без потерь тока на узкие боковые стенки трубы анода.

Применение предложенных конфигураций щелей в виде вытянутых в осевом направлении прямоугольника или треугольника или трапеции, либо сопряженных в том же направлении прямоугольника и трапеции или прямоугольника и треугольника так, что щель имеет наибольшую ширину на конце, обращенном в сторону близлежащей узкой боковой стенки первого фокусирующего электрода, позволяет видоизменять функцию нарастания плотности тока вдоль продольной оси окна по мере приближения к его краям и выбирать ее оптимальной с учетом рассеивающих свойств конкретной конструкции окна вывода электронов, материала фольги и свойств атмосферной или иной газовой среды.

Ограничение длины щелей связано с осевой длиной примыкающих к боковым краям участков площади окна вывода электронов, в пределах которой имеет место снижение плотности тока ниже требуемого уровня. Ограничение длины щелей в пределах одной четверти длины катода вдоль его продольной оси основано на результатах анализа экспериментально измеренных кривых распределения плотности тока вдоль продольной оси окон вывода электронов в известных отпаянных пушках.

Ограничение ширины щелей связано с физической особенностью проницаемости электрического поля на катод. Путем компьютерного моделирования установлено, что увеличение ширины щели за пределы величины ширины внутреннего поперечного сечения трубы первого фокусирующего электрода не приводит к существенному изменению проницаемости поля и плотности тока на катоде, в связи с чем величину ширины щели достаточно ограничить величиной ширины внутреннего поперечного сечения трубы первого фокусирующего электрода.

В целом совокупность вариантов предложенного технического решения позволяет получить оптимальное распределение плотности тока на внутренней поверхности окна вывода электронов, при котором обеспечивается равномерная плотность тока в зоне облучения объекта в пределах всей длины окна вывода электронов. Это повышает эффективность использования катода и КПД отпаянной электронной пушки.

Возможность реализации изобретения подтверждена экспериментально на электронной отпаянной пушке, изготовленной по одному из вариантов технического решения согласно предложенному изобретению, а также методом компьютерного моделирования.

Методом компьютерного моделирования решалась трехмерная самосогласованная задача электронной оптики о поле и траекториях электронов. В результате расчета выбраны размеры пушки, при которых обеспечивалась оптимальная ширина потока на окне вывода электронов, равная ширине окна, и распределения плотности тока по поверхности катода и внутренней поверхности окна, оптимальные с точки зрения равномерной плотности тока в зоне облучения объекта.

На фиг.4 показаны траектории электронов в ленточном электронном потоке, рассчитанные в области от катода до внутренней поверхности окна вывода для одного из вариантов технического решения согласно предложенному изобретению.

На фиг.5 приведены результаты компьютерного моделирования плотности тока J на катоде (фиг.5а) и внутренней поверхности окна вывода электронов отпаянной пушки (фиг.5б) в том же варианте технического решения. В пушке используется ленточный катод длиной 320 мм и шириной 6 мм, анод с окном вывода электронов длиной 320 мм и шириной 40 мм, первый и второй фокусирующий электроды, электрически соединенные с катодом. В широкой боковой стенке трубы первого фокусирующего электрода выполнены (как показано на фиг.3) щели в форме сопряженных прямоугольника и трапеции, причем широкий край щели обращен в сторону близлежащей узкой боковой стенки первого фокусирующего электрода. Длина щелей 80 мм, максимальная ширина щелей со стороны узких боковых сторон трубы первого фокусирующего электрода 18 мм, ширина внутреннего поперечного сечения трубы первого фокусирующего электрода 20 мм. Верхняя граница щелей совпадает с плоскостью торцевой поверхности первого фокусирующего электрода, обращенной в сторону катода, нижняя граница щелей расположена на 10 мм ниже излучающей поверхности катода. Расстояние от излучающей поверхности катода до внутренней обращенной в сторону катода поверхности окна вывода электронов 180 мм. Распределение плотности тока представлены в виде поверхностей (функций двух переменных Х и Y) в декартовой системе координат X, Y, Z (мм). Начало системы координат расположено в центре катода (окна вывода), координата Y направлена вдоль продольной оси катода (окна вывода), координата Х - вдоль ширины катода (окна вывода), координата Z - вдоль оси пушки по направлению движения электронов. Масштабы по осям Х и Y выбраны неодинаковыми (сжатие по оси Y) для удобства отображения результатов расчета пушки с длинным и узким электронным потоком. Величина плотности тока J выражена в А/мм². Распределение плотности тока (фиг.5а) в средней области катода (примерно на половине его длины) вдоль осевой длины близко к равномерному, а ее величина составляет 0.015 А/мм ². Данная величина плотности тока сохраняется примерно в пределах площади катода размером 4×160 мм². На боковых кромках катода плотность тока максимальна и составляет 0.02 А/мм², затем она плавно спадает по направлению к центру катода на осевой длине, близкой к осевой длине щели. Аналогичный характер имеет распределение плотности тока на внутренней поверхности окна вывода электронов (фиг.5б) с тем отличием, что в связи с расширением ленточного потока до размера ширины окна вывода (40 мм) величина равномерной плотности тока в центральной области окна вывода составляет 0.0015 А/мм², а максимальная плотность тока на боковых краях окна вывода - 0.0025 А/мм ².

На фиг.6 приведены результаты компьютерного моделирования плотности тока J на катоде (фиг.6а) и окне вывода электронов (фиг.6б) пушки-прототипа, полученные при указанных выше условиях, но при отсутствии продольных щелей в широких боковых стенках первого фокусирующего электрода. В этой пушке со всей поверхности катода отбирается близкая к равномерной плотность тока, равная, как и предыдущем случае, 0.015 А/мм², в результате чего на внутренней поверхности окна вывода электронов формируется поток тоже с достаточно равномерной по всей площади окна плотностью тока около 0.0015 А/мм².

Электронные отпаянные пушки, сконструированные с использованием указанных выше разных методов формирования протяженных ленточных электронных потоков, сравнивались по критерию неравномерности плотности тока вдоль продольной оси окна вывода электронов в зоне облучения объекта.

На фиг.7 приведены измеренные кривые распределения нормированной плотности тока j=J/Jmax (Jmax - максимальная плотность тока в центре окна вывода электронов) в зоне облучения объекта вдоль продольной оси окна в электронной пушке, выполненной согласно предложенному изобретению (кривая 1) и пушке-прототипе (кривая 2). По оси абсцисс отложена продольная координата Y в пределах длины окна вывода электронов от -160 до +160 мм, по оси ординат - величина нормированной плотности тока J/Jmax. Там же отмечено расположение щелей (длиной Lщ) в широких боковых стенках трубы первого фокусирующего электрода относительно окна вывода электронов (катода). Критерием (К) неравномерности плотности тока вдоль продольной оси окна вывода электронов является отношение величины отклонения (превышения или понижения) плотности тока Joткл.=0.5 (Jmax-Jmin) от средней Jcp.=0.5 (Jmax+Jmin) по всему окну плотности тока, нормированного к средней плотности тока Jcp.:К=Jоткл/Jcp. %, где Jmax и Jmin соответственно максимальная (в центре окна) и минимальная (на боковых краях окна) плотности тока. По этому критерию неравномерность распределения плотности тока в зоне облучения объекта в пушке-прототипе составляет 50%, в то время как в пушке согласно предложенному изобретению его величина многократно снижена и составляет 10%. Для многих практических применений требуются весьма жесткие ограничения по величине коэффициента неравномерности. Если величина коэффициента неравномерности не должна превышать 10%, то при этих условиях в пушке-прототипе необходимые параметры потока в зоне облучения объекта обеспечиваются фактически лишь на половину длины окна вывода электронов, что снижает эффективность использования катода и КПД данной пушки. Напротив, в пушке согласно предложенному изобретению при тех же жестких требованиях к коэффициенту неравномерности облучения объекта проводится с использованием всего формируемого пушкой электронного потока на всей длине окна вывода, что соответственно повышает эффективность использования катода и КПД пушки.

Таким образом, предлагается энергетически выгодная компактная технологичная конструкция электронной отпаянной пушки, формирующей протяженный широкий электронный поток с равномерным распределением плотности тока на облучаемом электронным потоком объекте. На основе этой пушки можно создавать компактные установки для радиационной обработки изделий и материалов пучками ускоренных электронов.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР 1107191, МПК³ Н 01 J 3/02, 12.10.1981 г.

2. Авторское свидетельство СССР 1064830, МПК² Н 01 S 3/00, 04.08.1976 г.

3. Патент РФ 2201635, МПК⁷ H 01 J 3/02, 23/06, 29/48, 15.06.2001 г.