способ получения электронного пучка и устройство для его осуществления (варианты)

Формула изобретения

1. Способ получения электронного пучка, заключающийся в том, что путем подачи напряжения питания между катодом с полостью и анодом зажигают высоковольтный разряд в газоразрядной ячейке, а в катодной полости формируют плазму, которой обеспечивают эмиссию электронов, ускоряемых в сильном поле высоковольтного разряда, отличающийся тем, что плазму формируют пониженной плотности, для чего часть внутренней поверхности катодной полости выполняют из диэлектрика.

2. Способ получения электронного пучка, заключающийся в том, что путем подачи напряжения питания между катодом с полостью и анодом зажигают высоковольтный разряд в газоразрядной ячейке, а в катодной полости формируют плазму, которой обеспечивают эмиссию электронов, ускоряемых в сильном поле высоковольтного разряда, отличающийся тем, что плазму формируют пониженной плотности, для чего часть внутренней поверхности катодной полости выполняют из диэлектрика, а сформированный так электронный пучок используют как вспомогательный электронный пучок, который направляют над поверхностью открытой части катода с полостью, а затем от открытой части катода с полостью в сторону анода формируют сильноточный электронный пучок.

3. Устройство для получения электронного пучка, содержащее анод, катод, выполненный в виде полости с отверстием в стенке, находящейся ближе к аноду, которые размещены в газоразрядной ячейке, и высоковольтный источник питания, который подсоединен к катоду и аноду, отличающийся тем, что стенка катодной полости с отверстием выполнена в виде диэлектрической пластины с отверстием.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электронике и может быть использовано в физической электронике, квантовой электронике, плазмохимии, диагностических измерениях.

Известен способ получения электронного пучка [Бурачевский Ю.А., Бурдовицин А.В., Мытников Е.М., Оке Е.М. // ЖТФ, т.71, №2, с.48-50, 2001], заключающийся в том, что путем подачи напряжения между катодом и анодом зажигают разряд в газоразрядной ячейке и в прикатодной области высоковольтного разряда формируют плазму, которой обеспечивают эмиссию электронов, ускоряемых в сильном поле этого высоковольтного разряда, при этом плазму формируют с помощью отдельного низковольтного разряда между катодом и анодом в катодной металлической полости с отверстием, через которое плазма проникает в прианодную область этого низковольтного разряда и через отверстие в аноде, прикрытое металлической сеткой, извлекают и укоряют электроны из плазмы с помощью высоковольтного разряда путем приложения напряжения минусом на анод и плюсом на экстрактор с отверстием. Ускоренные электроны в виде пучка извлекают через отверстие экстрактора и используют по назначению.

Недостатки этого способа получения электронного пучка. Относительно сложная система электродов и наличие двух независимых источников питания. Малая апертура сформированного электронного пучка. Основной недостаток способа - малая величина наибольшего рабочего давления газа ˜0.1 Тор. При большем давлении или увеличении апертуры электронного пучка из-за роста эмиссии электронов из плазмы низковольтного разряда высоковольтный разряд переходит в низковольтную форму с напряжением горения ˜100 В.

Известно устройство [Бурачевский Ю.А., Бурдовицин А.В., Мытников Е.М., Окс Е.М. // ЖТФ, т.71, №2, с.48-50, 2001], реализующее данный способ, содержащее высоковольтный источник питания и размещенные в газоразрядной ячейке катод в виде полости с отверстием и анод, при этом для создания плазмы в катодной полости, выполненной из металла, и в промежутке катод-анод используют дополнительный низковольтный источник питания, анод выполняют с отверстием, прикрытым сеткой для выхода электронов, ускоряемых затем в промежутке анод-экстрактор с помощью высоковольтного источника питания, подсоединяемого минусом к аноду и плюсом к экстрактору с отверстием, через которое извлекают ускоренные электроны в виде пучка, используемые по назначению.

Недостатки этого устройства.

Относительно сложная система электродов и наличие двух независимых источников питания. Малая апертура сформированного электронного пучка. Основной недостаток устройства - малая величина наибольшего рабочего давления газа ˜0.1 Тор. При большем давлении или увеличении апертуры электронного пучка из-за роста эмиссии электронов из плазмы низковольтного разряда высоковольтный разряд переходит в низковольтную форму с напряжением горения ˜100 В.

Наиболее близким по техническому решению к предлагаемому способу является способ получения электронного пучка [Boring K.L., Stauffer L.H. // Proceedings of the National Electronics Conference, Chicago, v.19, p.535-544, 1963.], заключающийся в том, что путем подачи напряжения питания между катодом с полостью и анодом зажигают высоковольтный разряд в газоразрядной ячейке, и в катодной полости формируют плазму, которой обеспечивают эмиссию электронов, ускоряемых в сильном поле высоковольтного разряда, при этом способ работает в обычном режиме традиционного высоковольтного разряда с полым катодом, когда область сильного поля, в которой ускоряют электроны пучка из сформированной в металлической катодной полости плазмы, прилегает к границе этой плазмы у отверстия катодной полости. Единый высоковольтный разряд используют одновременно для получения плазмы в металлической катодной полости и для ускорения электронов пучка.

Основной недостаток этого способа получения электронного пучка - малая величина наибольшего рабочего давления газа ˜10 ^-2 Тор. При большем давлении из-за роста эмиссии электронов из плазмы в катодной металлической полости возникает неустойчивость высоковольтной формы разряда по отношению к его переходу в низковольтную форму с напряжением горения ˜100 В. Другой недостаток - малая апертура сформированного электронного пучка, определяемая размером отверстия в катодной полости. При большем размере отверстия переход высоковольтного разряда в низковольтную форму происходит при еще меньшем давлении. Кроме того, для устойчивости высоковольтной формы разряда требуется стабилизировать величину давления газа в газоразрядной ячейке и включать балластное сопротивление в цепь разряда, что приводит к бесполезным энергетическим затратам, не решая полностью проблемы устойчивости высоковольтной формы разряда.

Известно устройство [Boring K.L., Stauffer L.H. // Proceedings of the National Electronics Conference, Chicago, v.19, p.535-544, 1963.], реализующее данный способ, содержащее анод, катод, выполненный в виде полости с отверстием в стенке, находящейся ближе к аноду, которые размещены в газоразрядной ячейке, и высоковольтный источник питания, который подсоединен к катоду и аноду, при этом катодная полость выполнена из металла. В целом, устройство соответствует традиционному устройству для высоковольтного разряда с полым катодом.

Основной недостаток этого устройства - малая величина наибольшего рабочего давления газа ˜10^-2 Тор. При большем давлении из-за роста эмиссии электронов из плазмы в катодной металлической полости возникает неустойчивость высоковольтной формы разряда по отношению к его переходу в низковольтную форму с напряжением горения ˜100 В. Другой недостаток - малая апертура сформированного электронного пучка, определяемая размером отверстия в катодной полости. При большем размере отверстия переход высоковольтного разряда в низковольтную форму происходит при еще меньшем давлении. Кроме того, для устойчивости высоковольтной формы разряда требуется стабилизировать величину давления газа в газоразрядной ячейке и включать балластное сопротивление в цепь разряда, что приводит к бесполезным энергетическим затратам, не решая полностью проблемы устойчивости высоковольтной формы разряда.

Техническим результатом изобретения является повышение рабочего давления газа при сохранении высокой плотности тока электронного пучка за счет относительного снижения эмиссии электронов, ускоряемых в сильном поле высоковольтного разряда. Снижение эмиссии электронов обеспечивают понижением плотности плазмы в катодной полости, часть внутренней поверхности которой выполняют из диэлектрика. Это позволяет в предлагаемых устройствах, с одной стороны, получать широкоапертурные электронные пучки большой продолжительности для давлений до ˜10 Top, а с другой, получать узкие электронные пучки малой длительности ˜1 нс для давлений 50˜100 Top. Ток электронного пучка может на порядок превышать, например, полный ток в устройствах на эквивалентном (напряжение U, давление р газа и сечение S электронного пучка фиксированы) аномальном разряде. Для устойчивости высоковольтной формы разряда не требуется стабилизировать величину давления газа в газоразрядной ячейке и включать балластное сопротивление в цепь разряда. Устройства получаются достаточно простыми и работают с одним источником питания.

Технический результат в предлагаемом способе получения электронного пучка достигается тем, что путем подачи напряжения питания между катодом с полостью и анодом зажигают высоковольтный разряд в газоразрядной ячейке, а в катодной полости формируют плазму, которой обеспечивают эмиссию электронов, ускоряемых в сильном поле высоковольтного разряда, при этом плазму формируют пониженной плотности, для чего часть внутренней поверхности катодной полости выполняют из диэлектрика.

Кроме того, технический результат достигается тем, что путем подачи напряжения питания между катодом с полостью и анодом зажигают высоковольтный разряд в газоразрядной ячейке, а в катодной полости формируют плазму, которой обеспечивают эмиссию электронов, ускоряемых в сильном поле высоковольтного разряда, при этом плазму формируют пониженной плотности, для чего часть внутренней поверхности катодной полости выполняют из диэлектрика, а сформированный так электронный пучок используют как вспомогательный электронный пучок, который направляют над поверхностью открытой части катода с полостью, и от открытой части катода с полостью в сторону анода формируют сильноточный электронный пучок.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для получения электронного пучка, содержащем анод, катод, выполненный в виде полости с отверстием в стенке, находящейся ближе к аноду, которые размещены в газоразрядной ячейке, и высоковольтный источник питания, который подсоединен к катоду и аноду, при этом стенка катодной полости с отверстием выполнена в виде диэлектрической пластины с отверстием.

Сущность предложенного изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми фигурами.

На фиг.1 приведена схема предлагаемого устройства. На фиг.2 изображен вариант предлагаемого устройства, представленного на фиг.1, совместно со схемой измерений параметров разряда. На фиг.3 приведен пример осциллограмм напряжения и токов разряда в гелии давлением р=3,5 Top для устройства с диаметром отверстия в диэлектрической пластине 22 мм и с шириной катодной полости 0.5 мм, представленного на фиг.1. На фиг.4 приведен пример осциллограмм напряжения и токов разряда в гелии давлением р=50 Top для устройства с диаметром отверстия в диэлектрической пластине 22 мм и с шириной катодной полости 0.5 мм, представленного на фиг.1. На фиг.5 приведен пример осциллограмм напряжения и токов разряда в гелии давлением р=4.3 Тор для устройства с протяженной щелью 1×50 мм² в диэлектрической пластине и с шириной катодной полости 0.5 мм, представленного на фиг.1. На фиг.6 приведен пример осциллограмм напряжения и токов разряда в гелии давлением р=50 Top для устройства с протяженной щелью 1×50 мм² в диэлектрической пластине и с шириной катодной полости 0.5 мм, представленного на фиг.1. На фиг.7 дан возможный качественный вариант распределения потенциала и электрического поля в разрядном промежутке для разряда с повышенным давлением в газоразрядной ячейке.

На фигурах показаны: 1 - высоковольтный источник питания; 2 - металлический катод с полостью 3, прикрытой диэлектрической пластиной 4 с отверстием D; - ширина катодной полости; h - глубина катодной полости; 5 - анод; d - длина разрядного промежутка; 6 - сетчатый анод; 7 - коллектор; L - область дрейфа электронного пучка; R1, R2 - резистивный делитель для измерения напряжения; R3 - сопротивление для измерений полного тока или тока коллектора в зависимости от положения переключателя - 8; 9, 10 - осциллограммы напряжения и тока коллектора; 11, 12 - осциллограмма полного тока j, состоящего из двух компонент j₁ - 11 и j ₂ - 12, задержанного на время относительно начала импульса напряжения 9, иллюстрирующие разряд в гелии давлением р=3,5 Top для устройства с диаметром отверстия в диэлектрической пластине D=22 мм и с шириной катодной полости =0.5 мм, представленного на фиг.1; 13, 14, 15 - осциллограммы напряжения, тока коллектора и полного тока j, иллюстрирующие разряд в гелии давлением р=50 Top для устройства с диаметром отверстия в диэлектрической пластине D=22 мм и с шириной катодной полости =0.5 мм, представленного на фиг.1; 16, 17 - осциллограммы напряжения и тока коллектора; 18, 19 - осциллограмма полного тока j, состоящего из двух компонент j₁ - 18 и j₂ - 19, иллюстрирующие разряд в гелии давлением р=4.3 Тор для устройства с протяженной - 50 мм щелью шириной D=1 мм в диэлектрической пластине с отверстием и с шириной катодной полости =0.5 мм, представленного на фиг.1; 20, 21, 22 - осциллограммы напряжения, тока коллектора и полного тока j, иллюстрирующие разряд в гелии давлением р=50 Top для устройства с протяженной - 50 мм щелью шириной D=1 мм в диэлектрической пластине с отверстием и с шириной катодной полости 5=0.5 мм, представленного на фиг.1; 23, 24 - возможный качественный вариант распределения потенциала (р и электрического поля Е в разрядном промежутке d для разряда с повышенным давлением в газоразрядной ячейке, знаками плюс «+» условно показан положительный объемный заряд у входа в узкую щель диэлектрической пластины 4 со стороны анода 5, векторы на фиг.7 показывают их направления в разрядном промежутке d: - электрического поля перед положительным объемным зарядом, - суммарного электрического поля от источника питания и положительного объемного заряда «+», -полного тока разряда, -тока под действием электрического поля , - тока электронного пучка, - пучка электронов.

Рассмотрим особенности формирования электронных пучков в тлеющих разрядах различного типа.

В источниках электронных пучков на тлеющем разряде область сильного поля, где ускоряются электроны пучка, примыкает к поверхности, эмитирующей электроны. В зависимости от того, является ли эмиттером поверхность катода или плазменная граница, различают разряд с плазменным анодом или разряд с плазменным катодом. Плазма в таких разрядах образуется там, где отсутствует сильное поле, например, в полом аноде (в простейшем случае это плоская пластина с отверстием, в которое провисает ослабленное поле) или в полом катоде. Возможны и более сложные системы.

В разряде с полым анодом анодная плазма служит основным источником поставки ионов, бомбардирующих катод совместно с потоком быстрых атомов, возникающих в процессах перезарядки ионов при их движении в прикатодной области с сильным электрическим полем. Число электронов, выбитых с катода на один ион, определяется обобщенным коэффициентом эмиссии = _i+ _а ( _i, _а - коэффициенты эмиссии от отдельных иона и группы быстрых атомов, возникающих при прохождении одного иона через прикатодную область с сильным полем). В технологических источниках электронных пучков с полым анодом ток пучка - j _EB обычно составляет =0.7-0.8 от полного тока разряда j:

Если анод с отверстием или сетчатый и внутри разрядного промежутка d сформировано катодное падение потенциала, то разряд практически не отличается от традиционного аномального разряда. Для фиксированных значений напряжения питания U и давления р, если U U_cf (U_cf - величина катодного падения потенциала), в аномальном разряде достигаются наибольшие токи j_EB и j=j _AD.

Для гелия

.

Ниже условимся считать электронный пучок сильноточным, если ток в нем - j_EB превышает расчетное значение полного тока аномального разряда j_AD , или =j_EB/j_AD>1 для одних и тех же значений U, р. Подчеркнем, что j _AD - это полный ток аномального разряда, а не ток его электронного пучка (j_EB)_AD, который (j_EB)_AD<j _AD. Такой сильноточный режим возможен, например, в разряде с полым катодом. В оценках параметра , которые будут приводиться далее в описании опытов, ток j_AD определялся по формуле (2) с заменой U_cf на U, что не учитывает падения напряжения на положительном столбе разряда, которое может быть значительным, если l_cf<<d, где l _cf - длина области катодного падения потенциала. Для аномального разряда в гелии

Например, для р_He=50 Тор и d=1 см, как в описываемых далее опытах, l_cf =10^-2>>d=1 см, оцениваемый там параметр будет заниженным. Отметим еще раз, что токи (j _EB)_AD, j_AD определяются величиной U_cf, а не величиной U.

В разряде с полым катодом (типичное рабочее давление 10^-3-1 Тор) область сильного, ускоряющего электроны пучка поля примыкает к входу в катодную металлическую полость. Коэффициент эмиссии электронов из катодной плазмы _p (количество эмитированных плазмой электронов, приходящихся на один ион, поступающий в полость), на которой обычно падает U_p=100-400 В, может существенно превышать коэффициент эмиссии в аномальном разряде, чем может обеспечиваться большая эффективность формирования электронных пучков. Если за областью с сильным полем в направлении к аноду степень ионизации газа много меньше, чем в катодной плазме, то параметр приближается к 1. Энергетические потери определяются падением напряжения на катодной плазме и переносом заряженных частиц, возникших в процессах ионизации газа вне катодной полости. Для разряда с полым анодом формула (1) совпадает с энергетическим кпд: U·j_EB/(U·j) при условии, что потери энергии электронов, стартующих с катода и укоренных в области катодного падения потенциала, при их пролете до коллектора незначительны и электроны пучка продолжают ускоряться в ослабленном поле за пределами катодного падения потенциала. Для разряда с полым катодом следует дополнительно учитывать падение напряжения на катодной плазме U_p. Мощность пучка получается j_EB(U-U_p) и, если (U-U_p) U, то формула (1) также совпадет с энергетическим кпд. Наиболее плотная катодная плазма образуется, если l _cf< /2 (в полости у стенок с расстоянием между ними S сформировано катодное падение потенциала), или =l_cf/(0.5 )<1. Считаем, l_cf приближенно соответствует аномальному разряду формула (3).

Источники электронных пучков на разряде с полым катодом имеют один, весьма существенный, недостаток, ограничивающий величину рабочего давления и апертуру электронных пучков. В нем с ростом давления или апертуры пучка, наряду с катодной плазмой формируется анодная, которая при еще большем р смыкается с катодной и разряд переходит в низковольтную форму. В импульсном режиме переход в низковольтную форму может происходить при большем р. Разряд с полым катодом обладает большей склонностью к переходу в низковольтный режим, чем разряд с полым анодом, и в настоящее время для технологических электронных пушек в высоковольтной форме практически не используется. В основном он применяется для формирования эмитирующей плазмы в низковольтной форме разряда, как в аналоге. Возможности источников электронных пучков на разряде с полым катодом в высоковольтной форме могут быть несколько расширены, в частности для возбуждения лазеров, если повысить рабочее давление газа, уменьшив величину , а апертуру пучка увеличить секционированием разряда. В [Sorokin A.R. // J. Moscow Phis. Sos., №7, p.145-151, 1997] использовалась коаксиальная конструкция источника. Сетчатый анод (диаметр 48 мм) располагался с зазором d=1 мм относительно ряда катодных полостей (их количество определяло суммарную апертуру пучка) с малой =0.5 мм, разделенных фольгой толщиной 0.1 мм, что позволило для р_He 8 Top в импульсе малой продолжительности получить j _EB˜1 кА/см², а =j_ЕВ/j_AD˜10 ³. Хотя в d разряд был однородным, в области дрейфа электронного пучка за сетчатым анодом в результате эффектов самофокусировки электронов пучка однородность возбуждения газа нарушалась - появлялись отдельные яркие образования разнообразной формы. Для больших р нарушалась в виде искр однородность и в d.

С целью избежать этих неприятностей и расширить диапазон рабочих давлений предлагается способ, который обеспечивает работу источников электронных пучков при повышенных в 10-10³ и более раз давлениях по сравнению с известными источниками с катодной плазмой за счет относительного снижения коэффициента эмиссии _р. Снижение эмиссии электронов обеспечивается понижением плотности плазмы в катодной полости, часть внутренней поверхности которой выполняют из диэлектрика. Так, сформированная плазма с высокой, но относительно пониженной плотностью, по сравнению с плазмой, формируемой в металлической катодной полости, может использоваться в различных устройствах. Другой предлагаемый способ позволяет с помощью вспомогательного электронного пучка, который формируют по первому способу и направляют над поверхностью открытой части катода с полостью, получать широкоапертурные электронные пучки с поверхности открытой части катода с полостью в сторону анода. Это достигается изменением соотношения сторон катодной полости. В предлагаемых устройствах плазма пониженной плотности, обеспечивая высокую устойчивость высоковольтного разряда по отношению к его переходу в низковольтный режим горения, позволяет работать при больших давлениях газа: с одной стороны, получать широкоапертурные электронные пучки большой продолжительности для давлений до ˜10 Top, а с другой, получать узкие электронные пучки малой длительности, например ˜1 нс, для давлений 50-100 Top. Ток электронного пучка может на порядок превышать полный ток в устройствах на эквивалентном (напряжение U, давление р газа и сечение S электронного пучка фиксированы) аномальном разряде. Устройства получаются достаточно простыми и работают с одним источником питания.

Рассмотрим особенности формирования катодной плазмы и ее эмиссионных свойств в высоковольтной форме разряда для предложенных устройств и в их сравнении с особенностями для традиционных устройств.

Разряд с полым катодом может наблюдаться в двух устойчивых формах, имеющих некоторое сходство по величине напряжения горения разряда ˜100 В и более, с формами тлеющего разряда: высоковольтной и низковольтной. В зависимости от условий ток j разряда в высоковольтной форме может быть как меньше, так и больше j_AD . При низком давлении, граница которого определяется геометрическими размерами катодной полости, существует только высоковольтная форма (обычно j<j_AD); ограниченная величиной наибольшего напряжения питания, при которой происходит переход разряда типа тлеющего в дуговой тип с напряжением горения в десятки вольт. С ростом давления из-за повышения эмиссии электронов из катодной плазмы растут токи и появляется неустойчивость разряда, при которой высоковольтная форма разряда может перейти в низковольтную с током, на порядки большем, и с напряжением горения ˜100 В. Если в этих условиях ограничить ток разряда включением балластного сопротивления, то высоковольтную форму можно сохранить при повышенных давлениях с достаточно высоким током, что и используется в технологических пушках. Величину балластного сопротивления приходится брать достаточно большой, что все же полностью не устраняет неустойчивость разряда, но вносит энергетические потери в работу пушки. Для снижения потерь и сохранения достаточных токов, необходимых для практического использования, балластное сопротивление по возможности стараются уменьшить, что, однако, повышает неустойчивость разряда. Эти недостатки являются основными для подобных устройств. Высоковольтная форма используется непосредственно для получения электронных пучков в диапазоне давлений до ˜1 Тор и с напряжением питания, снижающим с ростом давления с сотен до единиц кВ, а низковольтная - для формирования большой плотности тока разряда до давлений ˜10 Top. Высоковольтную форму разряда получают в двух различающихся конструкциях.

В классическом варианте высоковольтного разряда с полым катодом катодная полость с торца полностью открыта, т.е. расстояние между ее стенками соответствует размеру выходного отверстия D, а <2l_cf ( >1, между стенками полости недостаточно места для размещения там областей катодного падения потенциала). Пример из работы [Rocca J.J., meyer J., Collins G.J. // Physics Letters, v.87A, №5, p.237-239, 1982.] характеристик такого устройства, предназначенного для возбуждения лазеров. Цилиндрическая катодная полость открыта с двух торцов: D= =4.7 мм, глубина катодной полости (длина цилиндрической полости) h 60 мм >> . Расположение анода относительно торца полости произвольно, но за пределами области катодного темного пространства перед торцом полости. Наибольшее рабочее давление p _He=1-4 Top с граничным напряжением питания 8.9 кВ и токе 0.125 А. Для больших р или U разряд переходит в низковольтную форму, а положительный столб разряда распространяется на всю область между катодом и анодом.

В других устройствах, как в прототипе, катодная полость с рабочего торца частично прикрыта, и выходное отверстие занимает лишь часть сечения полости, т.е. D< . Обсудим подробнее характеристики устройства, взятого за прототип. Цилиндрическая катодная полость =2.86 см, h=3.81 см со сплошными боковой поверхностью и дном, с рабочего торца прикрытая пластиной с отверстием D=0.79 см (площади: отверстия S_f=0.5 см ², оставшейся сплошной части пластины - S _f=5.9 см²), окружена экраном под потенциалом заземленного анода с таким зазором относительно боковой поверхности и дна цилиндра катодной полости, чтобы исключить электрический пробой и разряд в зазоре (условия в катодной полости соответствуют левой ветви кривой Пашена). Для устойчивой работы устройства было необходимо: включать балластное сопротивление значительной величины, что все же не исключало появления неустойчивости; стабилизировать давление газа; размещать находящиеся под потенциалом земли металлические стены, держатели, мишень в нескольких диаметрах катодной полости от ее рабочего торца, за областью l _cf, т.е. в условиях аномального разряда между катодом и анодом, роль которого выполняли заземленные металлические детали устройства. Использовался рабочий газ - аргон, для которого формулы (2), (3) выглядят так:

.

Для наибольшего рабочего давления р _Ar=10^-2 Top, U=18 кВ ток составил I=0.06 А, или для типичного кпд устройства - 0.7: j _EB=кпд·I/S=0.084 А/см², а ток на сплошную не экранированную часть рабочего торца катодной полости j=(1-кпд)·I/S_f=0.003 А/см ², что совпадает с j_AD, вычисленного по формуле (4). Условие в катодной полости соответствует отсутствию в ней катодного падения потенциала: по (5) - l _cf=12.2>> /2=1.43 см ( >1). Ток пучка в =28 раз превышал ток j_AD, что свидетельствует о значительном превышении _р над . Максимальные потери напряжения на плазме в катодной полости - U_p=400 В от U=18 кВ питания составят всего 0.02. Если бы не было сопутствующих бесполезных потерь вследствие краевых эффектов с появлением аномального разряда между катодом и анодом, потерь на балластном сопротивлении и на взаимодействие пучка с газом за время его пролета до мишени, эффективность составила бы величину, близкую к единице - =0.98, вместо практического кпд=0.7. Этот недостаток, а также основной недостаток - сохраняющаяся неустойчивость разряда по отношению к его переходу в низковольтную форму, в конечном счете, привели к ограниченному использованию подобных устройств и к их замене другими, более сложными по конструкции.

В описанном устройстве катодная плазма достаточно высокой плотности образуется за счет эффективной ионизации газа электронами, стартующими со стенки цилиндрической полости и осциллирующими по ее радиусам. Если в этом устройстве уменьшить h так, что h станет << , то плазма в полости будет формироваться за счет осцилляции электронов между дном полости и ее торцом с отверстием D. Если дополнительно взять, например, D>2 l_cf , a h<2 l_cf, то область с сильным полем сосредоточится у входа в полость по периметру отверстия D. В этом случае сформируется вспомогательный электронный пучок ЭП1, распространяющийся вдоль поверхности открытой отверстием D части дна полости. Пучок ЭП1 вызовет дополнительную ионизацию газа у открытой поверхности дна катодной полости и приведет к росту тока основного электронного пучка с дна катода на анод, электроны которого ускоряются в области катодного падения потенциала у дна полости. Фактически такая катодная полость будет соответствовать традиционной, если переобозначить h на , а на h (как на фиг.1 предлагаемого устройства) с формированием электронного пучка ЭП1, но недостатки такого устройства в целом останутся прежними, хотя апертуру пучка, по-видимому, можно увеличить.

Предлагаемые способы получения электронного пучка позволяют преодолеть основной недостаток рассмотренных устройств - неустойчивость разряда по отношению к его переходу в низковольтную форму, и тем самым на порядки повысить величины рабочего давления и апертуры электронного пучка. Это достигается относительным понижением плотности плазмы в катодной полости, часть внутренней поверхности которой выполняют из диэлектрика, что ограничивает ток, формирующий эту плазму. Формирование вспомогательного электронного пучка, который направляют над поверхностью открытой части катода с полостью, позволяет получать широкоапертурные электронные пучки. Это достигается изменением соотношения сторон катодной полости. Следует отметить, что процессы, происходящие в катодной полости с металлическими стенками в условиях отбора из нее эмиссионных электронов, достаточно сложны и удовлетворительные расчеты этих процессов отсутствуют. Еще в большей степени они усложняются в условиях замены одной из стенок металлической полости диэлектрической пластиной, поскольку потенциал диэлектрической стенки не совпадает и изменяется во времени относительно потенциала металлической стенки. Особенности и свойства разряда с такой катодной полостью можно установить только в эксперименте.

Рассмотрим, как предложенный способ получения электронного пучка реализуется в устройстве, представленном на фиг.1, 2 для разряда в гелии.

Влияние катодной плазмы на разряд наиболее четко проявляется с ячейкой, в которой диэлектрическая пластина 4 имела большое отверстие - его диаметр D=22 мм на много превышал ширину =0.5 мм катодной полости 3. Глубина катодной полости h=4 мм. Для измерения тока электронного пучка часть его j _c, регистрируемая коллектором 7, извлекалась через сетчатый анод 6 прозрачностью =0.64, расположенный на расстоянии d=11 мм от поверхности дна катода, так что полный ток электронного пучка составлял j _EB=j_c/ (параметр =j_c·(j· )^-1). Шаг отверстий в сетчатом аноде 0.5 мм. Коллектор размещался на расстоянии L=5 мм (область дрейфа электронного пучка) от сетчатого анода.

Во всех опытах для регистрации полного тока j анод и коллектор, электрически соединенные накоротко между собой, подсоединялись к измерительному сопротивлению R₃=0.2 , заземленному другим концом. Измерения j _c проводились с заземленным накоротко анодом. В таких измерениях ток электронного пучка может быть только занижен, поскольку, например, коллектором не регистрируются электроны пучка, заторможенные в области дрейфа, и электроны, отраженные от коллектора (на коллекторе всегда присутствует отрицательное смещение относительно анода). Такое измерение j_c исключает также поток электронов на коллектор, рожденных в области дрейфа за счет ионизации атомов электронами пучка.

Для небольших давлений могла наблюдаться 2-импульсная структура j (фиг.3, р=3.5 Top) c j ₁ - 11, j₂ - 12. При небольшом напряжении на осциллограмме j наблюдался только один импульс j ₁. Свечения плазмы в катодной полости не было видно. По мере увеличения напряжения питания одновременно появлялись свечение в катодной полости и импульс j₂ со все уменьшающейся задержкой относительно начала разряда, вплоть до слияния импульсов j₁, j₂. Параметр =j_EB/j_AD в момент, отмеченный вертикальной линией на фиг.3, достигал значения 11.4 (U 2.2 кВ, =0.56). Электроны вспомогательного пучка ЭП1, ускоренные в области формирующегося сильного поля у входа в катодную полость у торца отверстия D, распространяются над поверхностью, открытой отверстием D части катода, дополнительно ионизуя газ, и токи j_c, j оказываются выше, чем в аномальном разряде. По мере роста р для сохранения устойчивости разряда требовалось снижать напряжение горения разряда, и параметр уменьшался для р=20 Тор до 1, хотя полный ток в 17.4 раза превышал j_AD, что представляет самостоятельный интерес, например, для возбуждения лазеров. Эти параметры получены в квазистационарном разряде продолжительностью 650 нс при напряжении горения U=910 В (амплитудное значение U, подаваемого на ячейку, перед электрическим пробоем газа 8.3 кВ), когда средняя расчетная длина пробега электронов пучка составляет 12 мм, что меньше, чем расстояние от дна катодной полости до коллектора d+L=16 мм. Лишь малая доля электронов пучка достигала коллектора и параметр падал до 0.06. Для больших U начиналось искрение разряда.

При большем давлении, фиг.4 - р=50 Top, поскольку детали ячейки до подачи импульса напряжения находились под потенциалом Земли, а по (3) для р=50 Top l_cf 0.1 мм < /2 ( =0.4) и параметр р =2.5 Тор·см приблизительно соответствует минимуму кривой Пашена, то сначала формировался емкостной разряд, затрагивающий катодную полость (для электрического пробоя промежутка d напрямую с катода на анод, где pd=55 Тор·см, требуется в 2 раза большее напряжение). Небольшая начальная проводимость катодной плазмы обеспечивала дальнейший рост U-13 на промежутке d, а затем в процессе развития основного разряда происходил быстрый спад U с одновременным формированием области сильного поля и основного пучка в сторону анода. В максимуме j_c - 14 параметр мал - 0.04 (U=5.9 кВ, =0.9) - пучок в первом импульсе с большой амплитудой формируется только вблизи торца отверстия в диэлектрической пластины, а ток j_c усреднен по всей площади S открытой части поверхности катода. Обращает на себя внимание большое значение параметра в максимуме j_с.

Чтобы выделить сильноточный импульс пучка в разряде с повышенным давлением, использовалась ячейка, фиг.1, 2, иных размеров с узкой протяженной щелью в диэлектрике: S=0.1×5=0.5 см² (D=1 мм), =0.5 или 1 мм, d=10.7 или 11.2 мм, L=5 мм, прозрачность анодной сетки =0.56.

Для низкого давления, фиг.5 - р=4.3 Top ( =1 мм, d=11.2 мм), параметр в момент, отмеченный вертикальной линией на фиг.5, достигал значения 10,9 (U 4.3 кВ, =0.36), а в первом максимуме j_с - 17, j - 18 в 150 нс от начала приложенного напряжения - =2.3 (U 7.8 кВ, =0.42).

Наиболее интересно поведение разряда при повышенном давлении, фиг.6 - р=50 Top ( =0.5 мм, d=10.7 мм, =0.4). Здесь в максимуме j_c - 21 получены следующие параметры разряда: U 4.2 кВ, j_EB 700 А/см² продолжительностью t _EB=2 нс, =1.5, =1.2. На переднем фронте U-20, так же как и на фиг.5, имелась небольшая ступенька, соответствующая началу формирования катодной плазмы - эта часть осциллограмм не вошла на фиг.6. Зарегистрированное небольшое превышение j_EB над j _AD ( =1.5) обусловлено быстрым спадом напряжения на разрядном промежутке, в течение которого ток пучка не успевает полностью развиться. Для давления в 100 Top получен пучок с t _EB=1.5 нс (предел временного разрешения использованного осциллографа) и =0.68.

Необычно зарегистрированное в опыте значение >1, означающее, что j_EB>j. Этот эффект обусловлен быстрым спадом напряжения на разрядном промежутке в течение сильноточного импульса тока пучка. Распределение потенциала и поля Е в разрядном промежутке определяется суперпозицией поля, задаваемого внешним источником питания, и поля объемных зарядов самого разряда. В условиях >1 качественно эти распределения могут быть, например, такими, как представлено на фиг.7: - 23, Е - 24 (распределение , Е может быть и иным, скорее всего, с областью сильного поля вблизи поверхности катода, что не меняет сути изложенного ниже, но представленный рисунок на фиг.7 более прост и нагляден). Векторы на фиг.7 показывают их направления в разрядном промежутке d: - электрического поля перед положительным объемным зарядом, - суммарного электрического поля от источника питания и положительного объемного заряда «+», - полного тока разряда, - тока под действием электрического поля , - тока электронного пучка, - пучка электронов. Объемный положительный заряд «+», ответственный за сильное поле, ускоряющее электроны пучка, за время сброса U не успевает перестроиться и поле, порождаемое им на анод, может превысить встречное поле от внешнего источника питания. В результате в прианодной области появляются поле и ток , встречные току пучка, и j_EB становится больше j=j _EB- j, a >1. По этой же причине в опытах, проиллюстрированных осциллограммами, представленными на фиг.4, достигается высокое значение . После частичного расформирования объемного заряда происходит дальнейшая перестройка распределения поля и пучок может появиться вновь, фиг.6. Заметим, в области отрицательного свечения нормального тлеющего разряда, где также наблюдается электронный пучок, иногда тоже регистрируется встречное поле, но иного происхождения.

Оценим для условий максимума j_c, фиг.6 - U_cf=4.2 кВ (считаем U U_cf в максимуме j _c), р=50 Top, время _d расплывания объемного положительного заряда, полагая, что его параметры те же, что и в катодном падении потенциала аномального разряда. За время _d примем время пересечения ионом длины l_cf: _d=I_cf/v, где v - средняя скорость иона, v=0.35·10⁶ (eU_cf/n)⁰⁵ см/с (eU_cf подставляется в еВ), n=l _cf/ _ct - число перезарядок на длине l _cf, _ct=(0.32·10¹⁷ ·p _ct)^-1, сечение перезарядки _ct=1.5·10^-15 см². Получим _d=2 нс, что согласуется с осциллограммой j_c, фиг.6. Поскольку n, v от р не зависят, то с уменьшением р должно _d увеличиваться. В этом процессе участвует также поток со стороны анода электронов, компенсирующих объемный заряд.

Дополним обсуждение. В оценках везде для l_cf, j_AD использовались формулы (2-5), справедливые для аномального разряда. Для разряда в плоскопараллельном промежутке известна их справедливость, например для Не, до р˜100 Тор (сведений об опытах при больших р нет). Для разряда в катодной полости эти соотношения могут нарушаться. Так из опытов с цилиндрической катодной полостью [Бондаренко А.В. // ЖТФ, т.46, №12, с.2535-2540, 1976] в аргоне давлением 0.07-0.08 Top, U=380-590 В, с параметром =l_cf/(0.5 ) 1 (это низковольтный режим) следует, что внутри катодной полости l_cf˜ _cf, т.е. на порядок меньше (p _Ar· _cf 9·10^-3 Тор·см), чем дает формула (5). Очевидно, это связано с высокой степенью ионизации газа осциллирующими в катодной полости электронами. По-видимому, поэтому в прототипе, например при 8.5, сохраняется неустойчивость, когда анодная плазма может смыкаться с катодной. Иными словами, в высоковольтной форме разряда сформированного катодного падения потенциала в катодной полости нет, но с ростом р или U плотность плазмы и эмиссия электронов из нее растут, и сильное поле не в состоянии удержаться перед входом в полость, в результате разряд скачком переходит в низковольтную форму с формированием l_cf˜ _cf, 1.

Остановимся на выборе геометрии разрядного промежутка в зависимости от режимов работы предложенного устройства. Поскольку нас интересует высоковольтная форма разряда в гелии, в оценках для l_cf используем формулу (3).

Для получения широкоапертурных электронных пучков величину следует выбирать, с одной стороны, из условий формирования вспомогательного электронного пучка ЭП1, формирующегося у торца отверстия в диэлектрической пластине и распространяющегося вдоль поверхности открытой части металлического катода, 1, с другой, чтобы не было искрового пробоя с дна металлической части катода на кромку торца отверстия в диэлектрической пластине, что ограничивает сверху величины U и, в конечном счете, р. Разрядная ячейка может быть протяженной с вытянутой катодной полостью, как это было в ячейке с узкой щелью. Для обеспечения высокой плотности тока пучка со всей поверхности открытой части металлического катода и распространяющегося в сторону анода глубина проникновения вспомогательного ЭП1, осуществляющего дополнительную ионизацию газа вблизи поверхности открытой части металлического катода, должна быть >D/2. Грубо величину для U=100-10⁴ В можно оценить, если принять U U_cf перед входом в катодную полость, по формуле

Расстояние d и напряжение питания U в условиях сохранения устойчивости разряда, выбирают так, чтобы пучок в сторону анода можно было использовать в области самого разряда между катодом и анодом, если анод сплошной, или чтобы пучок выходил за анод, если анод сетчатый, и пучок используется вне разрядного промежутка, за сетчатым анодом. Глубину проникновения L_d основного электронного пучка в сторону анода можно оценить по формуле (6) с заменой на L_d.

Из опытов с предлагаемым устройством =05, d=11 мм следует, что область давлений, когда существует сильноточный ( 1) широкоапертурный электронный пучок, р 20-2.2 Top ( =1-8.7), а параметр р 1-0.1. Согласно кривой Пашена напряжение электрического пробоя U_b промежутка для этих значений р растет с 7 до величины более 100 кВ. В импульсном режиме U_b может быть еще выше. Очевидно, формирование катодной плазмы инициируется основным разрядом на анод, а импульс j₂ - 12, возникающий одновременно с плазмой, может наблюдаться с задержкой , фиг.3, или совсем не сформироваться, если р<2.2 Тор. Так, в ячейке =0.5, d=40 мм >l_cf=9.6 мм (условие d>l_cf не принципиально) р=0.5 Top ( =96) за 7 мкс происходил плавный спад U с 40 до 20 кВ с током от 4.3 до 1 А/см². Удельная плотность энергии пучка за этот промежуток времени составила w=0.8 Дж/см ² с параметром , близким к единице. Отношение j/j_AD (U=20 кВ) мало - 0.2, что связано с падением напряжения на положительном столбе разряда, доля которого относительно приложенного напряжения U существенно растет с увеличением U и с ростом отношения d/l _cf. Согласно формуле (2) для j=1 А/см² получим U_cf=12 кВ вместо U=20 кВ, т.е. 8 кВ падает на положительном столбе разряда. Отметим, что электроны пучка достигают анода с энергией eU=20 кэВ, поскольку продолжают ускоряться в ослабленном поле за областью l_cf (потери энергии быстрых электронов пучка на взаимодействие с газом в d пренебрежимо малы). Строго, и в этом случае катодная плазма в полости есть (предпробойные токи всегда имеются), но ею можно пренебречь, поскольку ее плотность столь мала, что она не оказывает влияния на параметры разряда. Такой режим разряда представляет самостоятельный интерес, поскольку конструкция катодного узла предложенного устройства обеспечивает повышенную устойчивость разряда к появлению паразитных краевых эффектов в виде искр, которые ограничивают параметры разряда в известных устройствах, например, на разряде с полым анодом. Чтобы получить сильноточный электронный пучок при низком давлении следует увеличить . Так, в ячейке =1.5, D=22 мм, d=26 мм l_cf=24 мм, р=0.2 Тор ( =16) в 2 мкс импульсе со спадом U с 20 до 10 кВ для U=17,2 кВ получено: j_EB=13.4 А/см ², =0.92, =26.3.

Для давлений, при которых напряжение электрического пробоя газа в промежутке (барьерный разряд) становится меньше U _b, в промежутке d ( <1) сначала формируется катодная плазма, которая затем инициирует основной разряд на анод. В этом случае качественная картина может быть следующей. Во время развития барьерного разряда в промежутке электроны, стартующие с металлической стенки катодной полости, двигаются в сторону диэлектрической пластины и заряжают ее поверхность. Начинается движение положительных ионов не только в сторону металлической стенки, но и в сторону диэлектрической пластины. Ионы выбивают электроны с поверхности диэлектрика, которые образуют встречный поток электронов в сторону металлической стенки. Поток ионов нейтрализует поверхностный заряд на диэлектрической пластине, и встречный поток электронов иссякает, начинает вновь заряжаться поверхность диэлектрической пластины и т.д. В результате поток электронов с поверхности диэлектрической пластины и плотность катодной плазмы оказываются ниже, чем в разряде с полностью металлической полостью, чем и обеспечивается более высокая устойчивость разряда по отношению к его переходу в низковольтную форму. В условиях, когда основной разряд инициирует барьерный ( >1), для барьерного разряда должна наблюдаться подобная картина, но с формированием барьерного разряда, начиная с торца катодной полости, в ее глубь. В традиционном понимании в предлагаемом устройстве низковольтная форма разряда не существует. Возможно, одновременное появление тока j₂ и видимого глазом свечения плазмы в катодной полости и соответствует низковольтному традиционному разряду с полым катодом, но для предложенного устройства с напряжением горения, достаточным для существования сильноточного электронного пучка в устойчивой форме. Если <1, то из-за быстрого формирования достаточно плотной плазмы, в начальной стадии основного разряда можно с высокой эффективностью получать пучки при р=50-100 Тор малой длительности t_EB˜1 нс. Подобный режим разряда можно получить и при меньших давлениях, увеличив размер , при этом пучок может быть широкоапертурным, но с большей t_EB, из-за роста _d=l_cf/v. Так, в ячейке =1.5, D=22 мм был получен разряд для р=17 Тор ( =0.4) с параметрами: j_EB=106 А/см ², =1.3, =2, U=4.3 кВ, t_EB 7 нс в первом импульсе тока пучка.

Неустойчивость разряда для предложенного способа, ограничивающая диапазон рабочих U, р, связана с переходом разряда в искру. Искрение может возникать по следующим причинам. Из-за развития искры внутри катодной полости по поверхности диэлектрической пластины с места контакта металлической части катода с диэлектрической пластиной и далее с торца катодной полости на анод. Эту неустойчивость можно преодолеть увеличив h. Так, в опытах с h=2, =0.5 мм искра развивалась по поверхности диэлектрической пластины, которая исчезала при h=4 мм. Следующая возможная неустойчивость развивается напрямую с дна катодной полости на кромку отверстия в диэлектрической пластине и далее на анод. Предотвратить неустойчивость можно увеличив . Третий вид неустойчивости - искра с открытой части катода на анод - типичная неустойчивость тлеющего разряда в целом в отсутствие паразитных краевых эффектов. Второй тип неустойчивости ограничивает верхний предел рабочего давления, поскольку для работы устройства, как источника электронных пучков, с ростом р требуется уменьшать . При малых р, когда без ущерба можно увеличить, вторая и третья причины появления неустойчивости могут иметь одинаковое значение.

Приведенные рекомендации и замечания по выбору геометрических параметров разрядного промежутка носят качественный характер и в условиях разряда, меняющихся в широких пределах, должны уточняться в эксперименте. Так, с изменением давления на порядок, как, например, в приведенных выше опытах, для =0.5 мм, р 2.2 Тор, когда 8.7, сильноточного пучка нет, а для =1.5 мм, р=0.2 Тор, когда =16, - есть. Параметры зависят от сорта газа, его давления, напряжения питания, материалов катода и диэлектрической пластины. В опытах использовался дюралевый катод и диэлектрическая пластина из кварца. Из изложенного следует, что предложенный разряд для получения электронного пучка нельзя назвать разрядом с полым катодом в традиционном понимании, поскольку в нем процессы в катодной полости кардинально отличаются от процессов происходящих в металлической катодной полости. В предложенном же устройстве повышенная эмиссия электронов обеспечивается не из катодной плазмы, а в результате дополнительной ионизации газа вспомогательным электронным пучком, сформированным у входа в катодную полость и распространяющимся над поверхностью, открытой отверстием D части катода. Высокая устойчивость разряда, которая обеспечивается предлагаемым способом, позволяет работать без стабилизации давления и без подключения балластного сопротивления.

Устройство, фиг.1, содержит катод 2 и анод 5, которые образуют разрядный промежуток d, и диэлектрическую пластину 4 с отверстием D. Все эти элементы помещены в единую газоразрядную ячейку. Катод 2 имеет полость 3 шириной и глубиной h, а диэлектрическая пластина 4 с отверстием D прикрывает полость 3. Кроме того, устройство содержит высоковольтный источник питания 1, который подсоединяют к катоду 2 и аноду 5.

Устройство работает следующим образом.

Газоразрядную ячейку заполняют рабочим газом. Путем подачи напряжения от высоковольтного источника питания 1 на катод 2 и анод 5 зажигают разряд в промежутке d и барьерный разряд в промежутке . В результате, у входа в катодную полость 3 формируется электронный пучок. Этот электронный пучок можно использовать как вспомогательный электронный пучок, который распространяется над открытой отверстием D поверхностью катода 2, вызывая дополнительную ионизацию газа, и в сторону анода 5 от поверхности катода распространяется сильноточный электронный пучок, используемый по назначению.

Использование предлагаемого изобретения в сравнении с известными источниками электронных пучков с катодной плазмой позволяет снять известные ограничения на ширину генерируемого электронного пучка, обеспечить работу источников при повышенных в 10-10 ³ и более раз давлениях и получать, с одной стороны, широкоапертурные электронные пучки большой продолжительности для давлений до ˜10 Top, а с другой, получать узкие электронные пучки малой длительности, например ˜1 нс, для давлений 50-100 Top. Ток электронного пучка может на порядок превышать полный ток в устройствах на эквивалентном аномальном разряде. Устройства получаются достаточно простыми и работают с одним источником питания.