Высоковольтный вакуумный диод

ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ВАКУУМНЫЙ ДИОД, содержащий герметичную металлическую камеру цилиндрической формы с осесимметрично размещенными в ней анодом, катодом и кольцевым поджигающим электродом, закрепленным коаксиально относительно катода на вставке, выполненной в виде полого цилиндра, посаженного на катод, отличающийся тем, что, с целью увеличения длительности импульса тока пучка электронов, вставка выполнена из ферромагнитного материала, а размеры камеры катода и вставки выбраны из выражения

где U_д напряжение на диоде, В;
R₁ радиус катода, см;
h радиальный размер вставки, см;
R₀ внутренний радиус камеры, см;
диэлектрическая проницаемость материала вставки, отн.ед.

Устройство относится к области сильноточной электроники и может найти применение в ускорительной технике, технике СВЧ, промышленной технологии.
Известен высоковольтный вакуумный диод, работа которого основана на извлечении электронов электрическим полем из плазмы искрового разряда по поверхности оргстекла.
Устройство содержит вакуумную камеру, инициатор катодной плазмы и анод. Инициатор катодной плазмы выполнен из двух цилиндрических электродов с фарфоровой вставкой между ними и с рабочим веществом (оргстеклом), расположенным в канавке одного из электродов. Искровой разряд формируется по внутренней поверхности фарфоровой трубки между цилиндрическими электродами при подаче на них импульса напряжения от специального генератора импульсного напряжения. Во время разряда происходит испарение рабочего вещества, которое в результате ионизации образует плотную плазму, которая через отверстие в одном из цилиндрических электродов проникает в ускоряющий промежуток. При этом токоотбор электронов происходит с границы плазмы при подаче на анод ускоряющего напряжения. В этом устройстве максимальная длительность импульса тока пучка электронов составляет 2 мкс. Средняя скорость движения катодной плазмы в сторону анода составляет V 10⁶ см/с.
Недостаток этого устройства состоит в небольшой длительности импульса тока пучка электронов и в сложности конструкции катодного узла, выполненной в виде полого цилиндра. Сложность катодного узла определяется высоковольтной развязкой.
Известен также высоковольтный вакуумный диод, содержащий герметичную металлическую камеру цилиндрической формы с осесимметрично размещенными в ней анодом, катодом и кольцевым поджигающим электродом, закрепленным коаксиально относительно катода на вставке, выполненной в виде полого цилиндра, посаженного на катод. При подаче на диод импульса напряжения оно распределяется на двух конденсаторах. Один конденсатор образован катодным электродом и цилиндрическим электродом, другой цилиндрическим электродом и цилиндрической вакуумной камерой. При подборе параметров этих конденсаторов на первом конденсаторе можно получить напряжение киловольтного диапазона, достаточного для зажигания скользящего разряда по поверхности диэлектрика, обращенной в сторону анода. Для стабилизации разряда на торцевую поверхность диэлектрика наносится слой окиси бария (материала с малой работой выхода). Из сформированной плазмы скользящего разряда электрическим полем вытягивается электронный пучок. В этом устройстве скорость движения катодной плазмы в сторону анода составляет для оргстекла 1,5 10⁵см/с, для капралона 3,7 10⁵ см/с и для стеатита 10⁶ см/с.
Недостаток этого устройства состоит в небольшой длительности импульса тока пучка электронов. Так при зазоре между катодом и анодом d=1 см максимально возможная длительность импульса тока пучка электронов составляет 6 мкс. Это объясняется той же причиной, что и в первом устройстве замыканием промежутка анод-катод катодной плазмой.
Целью изобретения является увеличение длительности импульса тока пучка электронов.
Поставленная цель достигается тем, что в высоковольтном вакуумном диоде, содержащем герметичную металлическую камеру цилиндрической формы с осесимметрично размещенными в ней анодом, катодом и кольцевым поджигающим электродом, закрепленным коаксиально относительно катода на вставке, выполненной в виде полого цилиндра, посаженного на катод, вставка выполнена из ферромагнитного материала, а размеры камеры, катода и вставки удовлетворяют соотношению
9 10⁵ 1,2 10⁵, (1) где U_э напряжение на диоде, В;
R₁ радиус катода, см;
h радиальный размер вставки, см;
R_o внутренний радиус камеры, см;
- диэлектрическая проницаемость материала вставки, отн.ед.
Использование вставки из ферромагнитного материала приводит к тому, что скорость движения катодной плазмы в сторону анода замедляется из-за эффекта взаимодействия разрядного тока с током изображения в материале вставки. Уменьшение скорости движения катодной плазмы приводит к увеличению длительности импульса тока пучка электронов.
На чертеже схематично показан высоковольтный вакуумный диод в разрезе. Диод содержит герметичную металлическую камеру 1 с осесимметрично размещенными в ней анодом 2, катодом 3 и поджигающим электродом 4, установленным на вставке 5 из ферромагнитного материала. Катод введен в камеру 1 через проходной изолятор 6. Размеры камеры, катода и вставки удовлетворяют приведенному выше соотношению.
Устройство работает следующим образом. При подаче на диод импульса напряжения оно распределяется на двух конденсаторах:
U_д=U_с1+U_с2, (2) где U_д напряжение на диоде;
U_c1,U_с2 напряжение на конденсаторах С₁ и C₂.
Конденсатор С₁ образован катодом 3 и электродом 4, между которыми размещена вставка 5.
Емкость конденсатора
C₁ , (3) где _o диэлектрическая постоянная, _o ф/м;
- относительная диэлектрическая проницаемость материала вставки 5;
l, R₂ длина и радиус электрода 4, см;
R₁ радиус катода 3, см.
Конденсатор С₂ образован электродом 4 и внутренней стенкой цилиндрической вакуумной камеры 1. Его емкость определяется соотношением C₂ , (4) где ₂=1 относительная диэлектрическая проницаемость вакуума;
R_о внутренний радиус цилиндрической вакуумной камеры 1, см.
Напряжение на С₁ определяется по формуле
U . (5)
Подставляя С₁ и С₂ в формулу (5), получают следующее выражение для U_c1:
U ₌ ,
(6) где R₂ внутренний радиус поджигающего электрода.
Подбирая геометрические размеры диода R₁, R₂, R_о, диэлектрическую проницаемость материала вставки и напряжение на диоде, на первом конденсаторе можно получить напряжение U_с1, достаточное для зажигания скользящего разряда по торцевой поверхности ферромагнитной вставки, обращенной в сторону анода 2.
Наиболее универсальной характеристикой зажигания скользящего разряда является пороговая напряженность электрического поля на катоде 3, которая определяется по формуле
E_k , (7) где U напряжение между катодом 3 и поджигающим электродом 4.
Учитывая, что напряжение U между катодом 3 и электродом 4 соответствует напряжению U_с1, которое определяется из формулы (6), формулу (7) приводят к виду
E_k . (8)
Выбор определяющего критерия напряженности электрического поля на катоде Е_к для зажигания скользящего разряда по поверхности диэлектрической вставки объясняется тем, что формирование разряда обусловлено автоэлектронами с катода. Экспериментальное определение нижнего предела Е_k1, соответствующего началу зажигания скользящего разряда, и верхнего предела Е_k2, соответствующего переходу скользящего разряда в дуговой, показало, что при давлении остаточного газа в вакуумной камере р 10^-5 Тор Е_k1 9 10⁵В/см; а Е_k2 1,2 10⁵В/см.
Таким образом, имеет место соотношение
9 10⁵[B/см] 1,2 10⁵ B/см. (9)
Для определения пороговых напряженностей Е_k1 и E_k2 на диод подавалось напряжение от импульсного генератора. Напряжение на диоде регистрировалось высоковольтным делителем напряжения, а разрядный ток регистрировался поясом Роговского с интегрирующей цепочкой. Характер скользящего разряда определялся скоростным фотографированием с помощью лупы времени ЛВ-0,5. Таким образом, условие (9) определяет условия формирования однородной катодной плазмы скользящего разряда по торцевой поверхности ферромагнитной вставки 5. Затем из плазмы электрическим полем вытягивается электронный пучок.
Поскольку вставка 5 выполнена в виде кольца, в условие (9) вводят ее радиальный размер h, определив его соотношением
R₂=R₁+ h (10)
Тогда условие (9) принимает вид
9 10⁵[B/см] 1,2 10⁵ B/см.
При подборе величин R₁, R_o, h, и U_д можно получить указанную пороговую напряженность электрического поля на катоде, достаточную для формирования плазмы скользящего разряда. Принимая R₁=0,05 см, R_o=15 см, h=1 см, = 4, U_д= 10⁵ В, получают оценку величины Е 1,5 10⁵ В/см.
Необходимо отметить, что диапазон напряжений U_д=100-300 кВ не накладывает ограничений на условие (10) и возможно применение ускоряющих напряжений вплоть до 10⁶ В.
В результате взаимодействия разрядного тока с током изображения в ферромагнитной вставке плазма скользящего разряда прижимается к поверхности ферромагнитной вставки, что вызывает уменьшение скорости движения катодной плазмы в сторону анода V по сравнению с прототипом. Проведенные эксперименты показали, что для целого ряда ферромагнитных материалов скорость V составляет величину 10³ см/с. Последнее означает, что максимальная длительность импульса тока пучка электронов, определяемая временем замыкания диодного промежутка катодной плазмой, при среднем зазоре между анодом и катодом 1 см может достигать 1 м/с. Если сравнить максимально возможную длительность тока пучка электронов прототипа с предложенным устройством, то видно, что предполагаемое устройство позволяет увеличить длительность тока пучка примерно в 150 раз.
Для проверки работы предложенного устройства был изготовлен его опытный образец и проведены эксперименты по генерации электронных пучков. В опытном образце на катод из нержавеющей стали марки 12х18 Н9Т устанавливалось ферритовое кольцо с 2-15, на которое с внешней стороны устанавливался поджигающий электрод из нержавеющей стали толщиной 0,5 мм. Проведенные эксперименты показали, что при напряжении на диоде 100-300 кВ плотность электронного тока составляла 40-100 А/см², а длительность импульса тока пучка электронов при зазоре между анодом и катодом 5 мм составляла 300 мкс.
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет существенно увеличить длительность импульса тока пучка электронов по сравнению с прототипом и другими известными решениями.