Способ формирования микросекундных сильноточных электронных пучков

СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ МИКРОСЕКУНДНЫХ СИЛЬНОТОЧНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ в электронной пушке путем включения искровых источников анодной плазмы и подачи ускоряющего напряжения на катод, отличающийся тем, что, с целью улучшения однородности пучка по сечению, электронную пушку помещают во внешнее сопровождающее магнитное поле и непосредственно перед подачей ускоряющего напряжения на катод подают импульс напряжения положительной полярности длительностью _t = (10^-8 - 10^-6) с амплитудой не менее 100 В, обеспечивающей плотность электронного тока на катод j ( А / см²) согласно соотношению j = ( 1 - 5) 10^-2 _t^{-1 / 2} .

Изобретение относится к эмиссионной электронике и может быть использовано для генерации и транспортировки микросекундных сильноточных электронных пучков (СЭП) с различной формой поперечного сечения.
Целью изобретения является повышение однородности плотности тока по сечению пучка.
Для улучшения однородности пучка необходимо увеличить число возникающих на единице площади эмиссионных центров - сгустков катодной плазмы, которые затем в процессе расширения сливают и образуют квазиоднородную плазменную эмиттирующую поверхность. При работе в техническом вакууме эффективным механизмом образования эмиссионных центров под плазмой является пробой неметаллических включений и пленок при их зарядке ионным током из плазмы. Плотность ионного тока на катод и время запаздывания пробоя (включений и пленок) связаны соотношением.
E_пр = , (1) где Е_пр (1-5) ^. 10⁶ В/см - пробивная напряженность электрического поля; j_i= 0,4en_e(2kT_ек/М)^1/2 - плотность ионного тока из плазмы; n_e, T_ек - концентрация и температура электронов прикатодной плазмы; М - масса иона (считаем, что ионы однократно заряжены, т. е. n_e= n_i), и _o - диэлектрическая проницаемость и диэлектрическая постоянная соответственно.
Поскольку обычно длительность фронта импульса ускоряющего напряжения в сильноточных электронных ускорительных _ф 10^-8 с, то для достижения поставленной цели необходимо, чтобы выполнялось условие t_з< _ф 10^-8 с. Исходя из значений t_з 5-10 нс и = 2, можно по выражению (1) оценить величину n_е (3-10) ^. 10¹⁴ см^-3.
Исходя из требуемого значения n_e (3-10) ^. 10¹⁴ см^-3, можно оценить необходимые параметры предымпульса. Величина n_e может быть оценена из соотношения
n_e= n_o, (2) где n_o - концентрация газа, состоящего из десорбированных в течение предымпульса молекул; - степень его ионизации электронным ударом.
Степень ионизации газа можно оценить из отношения толщины слоя десорбированного газа a_г к средней длине свободного пробега электронов в нем :
= = = V_{г +}n_o где v_г - скорость расширения газа;
₊ - длительность предымпульса;
- сечение ионизации молекул газа электронным ударом.
Выражение для концентрации газа n_o можно записать в виде
n_o = , (4) где N_д - число десорбированных с единицы площади катода молекул газа за время ₊. Учитывая, что N_д= j ₊ / e ( - коэффициент электронно-стимулированной десорбции, т. е. число десорбированных молекул на один падающий электрон; j - плотность электронного тока; e - заряд электрона), получим
n_o = .
Из уравнений (2) и (4) можно получить выражение для концентрации ионов в прикатодной плазме:
n_e= v_{г +}+ n_o²=
n_e= V_{г +}+ n² = (5) или
j = . (6)
Из выражения (6) можно определить плотность электронного тока в предымпульсе при заданных значениях n_e и ₊. Оценим по выражению (6) порядок величины плотности электронного тока. Процесс электронно-стимулированной десорбции при импульсном воздействии является весьма эффективным и при длительности импульса электронного пучка _и 10^-6 с величина составляет 7-12 молекул на электрон, а скорость расширения газа v_г (3,5-5) х 10⁴ см/с. Сечение ионизации при энергии электронов eU 10⁴ эВ составляет 10^-17 см². Тогда, полагая ₊ 2 ^.10^-8 с, получим значение j 4 ^. 10² А/см².
Следует отметить, что длительность предымпульса не может быть сколь угодно большой. Во-первых, количество адсорбированных на единице площади молекул N_o ограничено и может достигать N_o 10¹⁶ см^-2. Поэтому, начиная с момента, когда все молекулы уже десорбированы, расширение газа ведет к уменьшению его концентрации, а следовательно, и n_e.
Значит, необходимо учитывать условие
n_o (7) или, воспользовавшись выражением (5), получим
₊ . (8)
Подставляя в выражение (8) значения N_o, , v_г, n_e, приведенные выше, получим ₊ 2 ^. 10^-5 с.
Во-вторых, заполнение диода плотным (частично ионизированным) газом ведет к его быстрому пробою, резкому снижению напряжения на электродах и невозможности генерации сильноточного электронного пучка. Поскольку длина межэлектродного промежутка d_к-а в сильноточных диодах не превышает нескольких сантиметров, то необходимо, чтобы за время предымпульса десорбированный газ заполнил лишь малую долю межэлектродного зазора, т. е. d_г= v_{г +}<< d_к-а. Например, при d_г = 0,1 см длительность предымпульса должна быть ₊ 10^-6 с.
Отметим также, что из выражения (5) ясно следует, что для достижения возможно большей концентрации n_e выгоднее увеличивать j чем ₊, так как величина n_e пропорциональна ₊ j².
Поскольку реально длительность предымпульса в сильноточном ускорителе сложно сделать менее 10^-8 с, то значение ₊ целесообразно выбирать в пределах 10^-8 с ₊ 10^-6.
Подставляя в выражение (5) значения n_e (3-10) 10¹⁴ см^-3, v_г= 4 ^.10⁴ см/с, = 7-12, 10^-17 см², получим окончательную связь между плотностью тока электронов в предымпульсе и его длительностью:
j = (1-5) ^. 10^-2 ₊ ^-1/2 . (9)
Минимально необходимая по выражению (9) плотность тока электронов должна быть, очевидно, обеспечена соответствующей эмиссионной способностью анодной плазмы:
j j_эм= 0,4 еn_a(2kT_ea/m^)1/2, (10) где n_a и Т_еа - концентрация и температура электронов анодной плазмы соответственно; m - масса электрона. Например, при характерных для искровых источников параметрах n_a 10¹³ см^-3 и kT_ea 4-5 эВ плотность эмиссионного тока j 10² А/см².
Далее возможны два варианта заполнения диода анодной плазмой: частичное (когда между границей плазмы и катодом существует некоторый вакуумный зазор l) и полное (плазма касается поверхности катода). В первом случае плотность тока электронов связана с амплитудой напряжения в предымпульсе U₊ (для простоты считаем форму предымпульса прямоугольной) следующим образом:
j 2.33 10⁶ . (11)
Для определенности предположим плоскую геометрию диода. Таким образом величина U₊ выбирается из конкретного значения l. Например, при j= (1-4) ^.10² А/см² и l 0,2 см амплитуда ускоряющего напряжения в предымпульсе согласно выражению (11) составляет U₊ 15-35 кВ.
Во втором случае j_e j_эм, если eU₊ >> kTe_a. Поскольку kT_ea 4-5 эВ, то при U₊ 100 В происходит эффективная ионизация десорбированных молекул ускоренными до eU 100 эВ электронами: при eU 100 эВ имеет место максимум сечения ионизации . Таким образом, нижний предел амплитуды напряжения предымпульса целесообразно выбирать не менее 100 В. Верхний предел амплитуды напряжения предымпульса не имеет физических ограничений и определяется техническими ограничениями по высоковольтной изоляции ускорителя электронов.
Скважность импульсов определяется тем, успеет ли в паузе между импульсами генерации сильноточного электронного пучка образоваться хотя бы один (или несколько) монослой молекул на поверхности катода в результате адсорбции. Практически это зависит от давления остаточных газов в камере.
Предложенный способ реализован в источнике с плазменным анодным каналом круглого сечения, помещенным во внешнее ведущее магнитное поле напряженностью Н 1,5 кЭ для предотвращения пинчевания пучка. Магнитное поле такой относительно небольшой напряженности не препятствует заметно натеканию анодной плазмы в диодный зазор и в дрейфовое пространство.
На фиг. 1 показан общий вид электронного источника. Источник содержит генератор импульсных напряжений (ГИН) 1, блок 2 питания искровых источников анодной плазмы, схему 3 синхронизации, группу искровых источников 4 анодной плазмы, катод 5, коллектор 6, соленоид 7.
На фиг. 2 представлены характерные автографы пучка на винипрозе: a - амплитуда импульса положительной полярности U₊= 0, б - U₊= 25 кВ.
После срабатывания искровых источников 4 анодной плазмы с задержкой _з= 0,5-2 мкс, регулируемой схемой 3 синхронизации, срабатывает ГИН 1, подающий на катод 5 импульс напряжения специальной формы, состоящий из короткого ( ₊ 20 нс) импульса положительной полярности и импульса ускоряющего напряжения отрицательной полярности ( _- 1 мкс). Амплитуды обоих импульсов регулируются независимо в пределах: U₊ от 0 до 30 кВ, U_-от 0 до 40 кВ. Мишени из винипроза располагаются на коллекторе. Для стока электростатического заряда пучка на винипроз накладывается металлическая сетка с высокой геометрической прозрачностью, электрически соединенная с коллектором. Автографы пучка, полученные в двух режимах: U₊= 0 и U₊= 25 кВ, наглядно демонстрируют улучшение однородности пучка при предварительном облучении катода электронами.
Таким образом, предложенный способ формирования микросекундных СЭП позволяет существенно улучшить однородность электронного пучка. При этом ток пучка увеличивается примерно в 2-3 раза.
(56) Авторское свидетельство СССР N 372944, кл. H 01 J 3/02, 1973.
Иремашвили Д. В. и др. ЖТФ, 1979, т. 49, N 7, с. 1485-1490.
Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано для генерации и транспортировки сильноточных пучков (СЭП). Целью изобретения является повышение однородности плотности тока по сечению пучка. Электронную пушку помещают во внешнее сопровождающее магнитное поле. Перед подачей ускоряющего напряжения на катод подают импульс напряжения положительной полярности. Длительность импульса ₊= 10^-8-10^-6 , а амплитуда - не менее 100 В. Плотность электронного тока j(A/см²) связана с длительностью импульса соотношением j = (1-5) 10^{-2 -}₊^1/2 . Способ формирования микросекундных СЭП позволяет улучшить однородность электронного пучка и увеличить ток в 2 - 3 раза. 2 ил.