Способ формирования электронных пучков с помощью взрывоэмиссионной электронной пушки

СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ С ПОМОЩЬЮ ВЗРЫВОЭМИССИОННОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ ПУШКИ, заключающийся в погружении пушки во внешнее ведущее магнитное поле, создание в ней анодной плазмы и подачи на катод биполярного импульса напряжения, отличающийся тем, что, с целью повышения однородности плотности тока и стабильности параметров формируемого пучка, анодную плазму создают с помощью низковольтного пеннинговского разряда, длительность горения которого выбирают из условия
t₂ 120 M^1/2/P, с,
где M - масса атома рабочего газа, г;
P - давление рабочего газа, мм рт. ст.

Изобретение относится к технике генерирования сильноточных электронных пучков (СЭП) и может быть использовано для формирования и транспортировки импульсных СЭП с различной формой поперечного сечения.
Целью изобретения является повышение однородности плотности тока и стабильности параметров формируемого пучка.
На фиг. 1 приведена конструктивная схема устройства реализации способа; на фиг. 2, 3, 4 и 5 - фотографии отпечатков пучка на винипрозе и характерные осциллограммы плотности тока, полученные в сравнительном эксперименте.
Устройство реализации способа содержит кольцевой анод 1 и сетчатые молибденовые катоды 2 и 3, которые образуют газоразрядную пенинговскую ячейку. Катод электронной пушки 4 образует с сетчатым катодом 2 пеннинговской ячейки ускоряющий промежуток. Электроны пучка поглощаются коллектором 5 (при удалении сетчатого катода 3 коллектор 5 может являться одним из катодов ячейки). Секционированный соленоид 6 создает магнитное поле напряженностью до 2 кЭ, служащее одновременно для зажигания пеннинговского разряда и для транспортировки формируемого пучка.
Вакуумный кожух 7 устройства снабжен каналом 8 для напуска рабочего газа.
Устройство также содержит генератор импульсных напряжений (ГИН) 9, блок питания пеннинговского разряда (БПР) 10 и схему синхронизации 11.
При осуществлении способа пушку погружают во внешнее магнитное поле, создаваемое соленоидом 6. Далее создают анодную плазму с помощью низковольтного паннинговского разряда. Для этого по каналу 8 подают рабочий газ и включают БПР.
При этом длительность горения пеннинговского разряда выбирают из условия t₂ = 120 М^1/2Р, где М - масса атома рабочего газа, г; Р - давление рабочего газа, мм рт. ст.
При подаче на катод 4 от ГИН 9 биполярного импульса напряжения формируют сильноточный электронный пучок.
Повышение одновременности плотности тока и стабильности параметров формируемого пучка объясняется лучшей однородностью распределения концентрации плазмы, создаваемой импульсным пеннинговским разрядом, вследствие объемного характера ионизации газа в таком разряде. Напротив, искровые источники плазмы являются точечными и генерируют плазму отдельными сгустками в течение импульса тока искрового разряда.
Плотность тока СЭП, формируемого в двойном слое между катодной и анодной плазмами, определяется параметрами анодной плазмы j_е = j_i (М / m^1/2), (1) где j_i = 0,4еn_a (2КT_e / M)^1/2, (2) где j_i - плотность ионного тока насыщения анодной плазмы; n_a - концентрация плазмы; Т_е - температура электронов плазмы; m и М - масса электрона и иона соответственно; е - заряд электрона; К - постоянная Больцмана. Поэтому неоднородность и нестабильность анодной плазмы приводит к неоднородности и нестабильности параметров формируемого пучка.
Длительность горения импульсного пеннинговского разряда выбирается из определенного условия. Это связано с тем, что через определенное время импульсный пеннинговский разряд может перейти из режима тлеющего разряда в дуговой при возникновении взрывоэмиссионных центров (ВЦ) на катодах ячейки. Появление ВЦ, являющихся начальной стадией катодных пятен, обусловлено пробоем неметаллических включений и пленок при их зарядке ионным током из плазмы. Время запаздывания пробоя для этого случая можно оценить по соотношению t₃= (3) где 2-2,5 - диэлектрическая проницаемость материала включения или пленки; E_пр 5 10⁶ B/см - пробивная напряженность электрического поля материала включения или пленки; _о - диэлектрическая постоянная.
Поскольку появление катодных пятен означает нарушение однородности и стабильности параметров анодной плазмы, то время горения импульсного пеннинговского заряда должно быть t₂ t₃. (4)
Импульсный пеннинговский разряд отличается высокой степенью ионизации ( 90% ). Считая ионизацию газа однократной и стопроцентной, можно выразить концентрацию анодной плазмы через давление рабочего газа Р, мм рт. ст, n_a= P см^-3, (5) где n_о = 2,69 10¹⁹ см^-3 - число Лошмидта.
Подставляя в выражение (4) численные значения величин и Е_пр и используя выражения (2), (3) и (5), получим t₂ 120 м^1/2/P, с. (6)
При проведении сравнительных экспериментов источник анодной плазмы на основе пеннинговского разряда заменялся искровым источником анодной плазмы, питаемым отдельным блоком поджига.
Применение сетчатых катодов (характерный линейный размер ячеек сетки составлял b = 0,2 см) обеспечивает проникновение анодной плазмы в ускоряющий промежуток и пространство дрейфа (пространство между сетчатым катодом 3 и коллектором 5) при условии h << b, где b - толщина прикатодного слоя объемного заряда ионов. Величину h можно оценить в предположении, что слой объемного заряда, возникающий вблизи сетчатых катодов 2 и 3, являлся ленгмюровским h= , (7) где U_р - характерное напряжение горения пеннинговского разряда.
Подставляя в формулу (7) численные значения величин, определяем диапазон давлений, в котором выполняется условие h << bP 10^-4-10^-3 мм рт. ст. Характерные значения U_p 300-500 В и T_e 5 10^-4K .
На фиг. 2 и 3 приведены фотографии отпечатков пучка на винипрозе, полученные при различных способах создания анодной плазмы: искровым источником (см. фиг. 2) и источником на основе пеннинговского разряда в аргоне при Р = 1 10^-3 Торр (см. фиг. 3). Максимальное ускоряющее напряжение, ток пучка, длительность импульса, напряженность внешнего ведущего магнитного поля были одинаковы в обоих случаях и составляли: U = 30 кВ, I_n = 10³ А; _u = 5 10^-7 с, Н = 1,5 кЭ. Из полученных фотографий видно улучшение однородности плотности тока по сечению пучка, полученного по предлагаемому способу. Время горения пеннинговского разряда t₂ 1 10^-6 с.
На фиг. 4 и 5 приведены характерные осциллограммы плотности тока, полученные при диаметре коллимирующего отверстия d = 0,05 см, для обоих способов создания анодной плазмы: искровым источником (см. фиг. 4) и источником на основе пеннинговского разряда (см. фиг. 5). Видно, что осциллограмма первого типа является более "изрезанной" (причем местоположение, количество и амплитуда всплесков хаотически меняются от импульса к импульсу), что свидетельствует о большей пространственно-временной нестабильности формируемого пучка.
Ресурсные испытания катодов электронной пушки, изготовленных по идентичной технологии, показали, что при использовании искрового источника плазмы регулярные нестабильности тока пучка не наблюдались через 3 10⁵ импульсов, в то время как при использовании плазмы пеннинговского разряда нестабильности тока пучка не наблюдались и после 1 10⁶ импульсов. Токовая нагрузка на катод 4 была одинакова в обоих случаях. Уменьшение массы катода 4 после 1 2 10⁶ включений при одинаковой токовой нагрузке составило 0,1 и 0,04 г для искрового и пеннинговского источников анодной плазмы соответственно. Уменьшение величины удельной эрозии ведет к повышению стабильности параметров формируемого СЭП вследствие увеличения долговечности катода.
Проверка соотношения (6) показала, что в рассматриваемом случае значения t₂ укладывались в интервал (150-400)М^1/2/Р, что связано с определенной производительностью параметров и Е_пр. Увеличение времени горения импульсного пеннинговского разряда свыше указанной величины приводило к неоднородности плотности тока и нестабильности его параметров.
Таким образом, изобретение позволяет улучшать однородность плотности пучка и стабильность параметров формирующего СЭП. (56) Иремашвили Д. В. и др. ЖТФ, т. 49, N 7, 1979, с. 1485-1490.
Бугаев С. П. и др. Электронные пучки большого сечения. М. : Энергоатомиздат, 1984, с. 66, 67.
Авторское свидетельство СССР N 1478891, кл. Н 01 J 3/02, 1988.
Изобретение относится к ускорительной технике, в частности к устройствам генерирования сильноточных электронных пучков (СЭП) и может быть использовано для формирования СЭП с различной формой поперечного сечения. Цель изобретения - повышение однородности плотности тока и стабильности параметров формируемого пучка. При осуществлении способа взрывоэмиссионную пушку нагружают во внешнее магнитное поле, создаваемое соленоидом 6. Создают анодную плазму с помощью низковольтного пеннинговского разряда. Длительность горения пеннинговского разряда выбирают из условия t₂ 120M^1/2P , где М - масса атома рабочего газа, г; P - давление рабочего газа, мм рт. ст. Подают на катод 4 от ГИН биполярный импульс напряжения и формируют сильноточный элекронный пучок. При реализации способа нестабильность тока пучка не наблюдалась и после 1 10⁶ импульсов. 5 ил.