Плазменный диод

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик ииЗ 001224(е 1) Дополнительное к авт. свид-ву(22) Заявлено 230781 (21 3322786/18-25с присоединением заявки Мо -(311 М. Кп.з Н 01 Т 1/30 Н 05 Н 1/00 Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий/ Объединенный институт ядерных исследованйи" т)(54 ) ПЛАЗМЕННЫЙ ДИОДИзобретение относится к сильно- точной электронике и может найти применение в ускорительной технике и технике СВЧ для.возбуждения волноводов.Известен плазменный диод на осно,ве плазменного катода. Он состоит нз вакуумной камеры, проходного изо,лятора плазменного катода и анода. При подаче импульса напряжения на катоде формируется плазма, иэ которой электрическим полем вытягиваются электроны )1).Недостатком известного устройства является малая длительность импульса тока пучка электронов, что связано с большой скоростью движения катодной плаэмы в сторону .анода, состав" ляющей (2-5)ф 10 ь см/с. Это означает, что максимальная длительность импульса тока пучка электронов Равна времени эакорачивания плазмой промежутка между катодом и. анодом. В среднем длительность формируемого электронного пучка составляет м 1 мкс.Наиболее близким к предлагаемому .является плазменный диод, содержащий соосно расположенные анод и катод, образованный металлической подложкой, инициатором катодной плазмы и. мелкоструктурной сеткой. В этом диоде катод выполнен изметаллическойподложки на которой установлен инициатор катодной плазмы с уложеннойс внешней стороны металлической сеткой, при этом подложка и сетка подключены к генератору зажигания разряда, Инициатор катодной плазмы выпол" 10 нен в виде диэлектрической вставки.Перед подачей импульса напряжения надиод от генератора зажигания разрядапоступает импульс напряжения на металлическую подложку и металлическуюсетку. При этом по поверхности ди,электрика формируется плазма, которая распространяется в сторону анода со скоростью (2-6)" 10 Ь см/с )21 .Недостатки этого устройства обусловлены малой длительностью импульсатока пучка электронов и сложностьюконструкции диода, Максимальная длительность импульса тока пучка электронов определяется временем перемыкания плазмой промежутка между анодом и катодом и составляет в среднем,м 0,5 мкс при зазоре между катодоми анодом 1 см. Сложность конструкциидиода объясняется наличием генератора зажигания разряда, который приподаче ускоряющего напряжения .надиод оказывается под тем же напряжением,Цель изобретения - повышениедлительности импульса тока.Поставленная цель достигаетсятем, что в плазменном диоде, содержащем соосно расположенные анод икатод, образованный металлическойподложкой, инициатором катодной плазмы и мелкоструктурной сеткой, инициатор катодной плазмы выполнен ввиде Ферромагнитной прокладки, толщина с 1 и диэлектрическая проницаемость,. которой связаны с зазором Р междусеткой и анодом соотношением15ОООВ,(1) 45 оаИдгде П - напряжение на диоде;д - толщина инициатора натоднойплазмы - Ферромагнитнойпрокладки; 5 О- диэлектрическая проницаемость ферромагнитной прокладки;Р - зазор между анодом и металлической сеткой. 55При подборе трех переменных Й,Я,Р можно получить на первом конденсаторе напряжение гд 1-30 кВ. Этого напряжения достаточно для зажигания разряда по поверхности ферромагнитных материалов (Ферритон). Внутренний электрический пробой ферромагнитной прокладки устраняется при выполнении условия(2) 65 при этом коэффициент прозрачностисетки лежит в пределах 0,1-0,8.На чертеже схематически показаноустройство.Плазменный диод содержит вакуумную камеру 1, на проходном изоляторе2 которой установлен катод, образованный металлической подложкой 3,инициатором 4 катодной плазмы и металлической мелкоструктурной сеткой5, Анод 6 установлен соосно с катодом. Давление остаточного газа ввакуумной камере составляет л 10 торр.Устройство работает следующим 30образом.При подаче импульса напряжения надиод оно распределяется между двумяконденсаторами. Первый конденсаторобразован металлической подложкой 353 и металлической мелкоструктурнойсеткой 5 с диэлектрическим заполнением в виде ферромагнитной прокладки, а второй - металлической мелкоструктурной сеткой 5 и анодом 6 с 4 Овакуумным заполнением,Разность потенциалон Пс междуобкладками первого конденсатора определяют по формуле где Е - электрическая прочност.ферромагнитной прокладки.Такпри толщине ферромагнитной прокладки из феррита марки 4 СЧ 10, ранной 1 мм, электрическая прочность составляет 40 кВ/мм. Напряжение зажигания разряда при этой толщине и при давлении остаточного газа10 5 торр составляет 2,3 кВ. При этом напряженность электрическОго поля В ферромагнетике составляет л 2,3 кВ/мм, что существенно меньше пробивной напряженности электрического поля, равной 40 кВ/мм, Выбирая зазор между анодом и металлической сеткой равным 10 мм, толщину ферро- магнитной прокладки 1 мм и ее дйэлектрическую проницаемостьЭ,получаем при напряжении на диоде у "300 кВ напряжение на первом конденсаторе Пс 3,3 кВ, Этого напряжения достаточно для зажигания разряда по поверхности феррита (порогоное напряжение зажигания разряда л 2,3 кВ).Сформированная катодная плазма распространяется в сторону анода с некоторой скоростью. Для многих марок ферритов (1 СЧ, 4 СЧ 10, 80 СЧ, ТЧ-ЗОП, ферриты с ППГ и т,д.) она составляет Ч 104 см/с. Эта величина определяется методами скоростной Фотографии при помощи лупы времени ЛВ,5. Уменьшение скорости днижения катодной плазмы объясняется тем, что при возникновении незавершенного разряда по поверхности ферромагнитной прокладки плазма разряда начинает распространяться по поверхности ферромагнетика и в сторону анода, В ферромагнитной прокладке наводятся вихревые токи, которые притягивают заряженную струю разрядного тока.Так как заряженные струи притягиваются к ферромагнитным поверхностям из-за токового взаимодейстния, сила притяжения больше сил внутреннего давления в плазме, а это приводит к уменьшению скорости Ч, Соотношение скоростейв предлагаемом устройстве и Ч, в прототипе.ранно Величина 10 означает во сколько раз можно увеличить длительность импульса тока пучка электронов, не унеличивая при этом зазор между ано дом и катодом по сравнению с прототипом. Так, если в прототипе максимальная длительность импульса тока составляет 0,5 мкс, то в предлагаемом устройстве она может составлять 50 мкс.Зазор Р между анодом 6 и металлической мелкоструктурной сеткой 5 и толщина с 1 ферромагнитной прокладкиб аз 1409/6 Подписное НИИПИ ираж 7 Филиал ПНП "Патент г.Ужгород, ул,Проек я,4 с диэлектрической прочицаемостью Ядолжны быть связаны соотношением 001Ою. (3)э аЭто соотношение определяет при каких параметрах Я, Й, Р можно сформировать катодную плазму при питающих напряжениях на диод 100-300 кВ.Из анализа формулы (1) следует, что с уменьшением значения диэлектрической проницаемости Я до л 10 напряжение на первом конденсаторе переходит в киловольтный диапазон. Последнее означает, что на катоде можно зажечь разряд без применения специального генератора зажигания разряда, что существенно упрощает конструкцию диода.П р и м е р. В металлическую подложку из нержавеющей стали устанавливают ферромагнитные прокладки из ферритов с диэлектрической проницаемостью 2-10. Их толщина составляет 1-3 мм. На ферромагнитную прокладку устанавливают металлическую сетку с коэффициентом прозрачности 10-80. При К0,1 разряд, представляющий катодную плазму, зажигается нестабильно и носит многоискровой характер. При К ) 0,8 этот тип разряда переходит в искровой и плазма катод- ного факела носит характер искры, что приводит к уменьшению площади поверхности эмиттирующей электроны. Плотности токов электрочов, отбираемые с плазменной поверхности в диоде при напряжениях 100-300 кВ и зазоре между входом и металлической сеткой 10 мм, равны 300-500 А/см, при этом катодная плазма имеет характер однородной. Максимальная длительность им пульса ,ка пучка электронов составляет . 45 мкс, что существенно выше, чем в известных устройствах. Плазменный диод, содержащий соосно расположенные анод и катод, образованный металлической подложкой, 5 инициатором катодной плазмы и мелкоструктурной сеткой, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повышения длительности импульса тока, инициатор катодной плазмы выполнен в виде ферромагнитной прокладки,толщина с 1 и диэлектрическая проницае" мостькоторой связаны с зазором между сеткой и анодом соотношением при этом коэффициент прозрачностисетки лежит в пределах 0,1-0,8.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Месяц Г.А. Генерирование мощных наносекундных импульсов. МСоветское радиоф, 1974, с. 204.2. Крейндель Ю,Е. Плаэменные ис 35 точники электронов. М., Атомиздат,1977, с. 88 (прототип).