Газоразрядный плазменный катод

1 1 888797 союз Советских Сокиалнотических Республик(51 305 Н 5/02 с присоединением заявки Государственный комнт 23) Приоритет 3) УДК 621.385(45) Дата опубликования описания 23.10.82 по делам изобретен ткрытии, Е, р дель, П. М. Щанин, В. С, Тол Институт сильноточной электроники СО институт автоматизированных сис и радиоэлектроникиАН ССР.и,Хомй(ий,1 м у равлсмия. - ., 4) ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ ПЛАЗМЕННЫЙ КАТОД Изобретение относится к устройствам для генерирования плазмы и может использоваться в качестве плазменного катода в электронных источниках, формирующих пучки с большим поперечным сечением.Известно применение многоэлементных термокатодов в электронных источниках 1, используемых в лазерах с несамостоятельным разрядом для возбуждения разряда высокого давления и в радиационной химии для инициирования реакций, Многоэлементные термокатоды обеспечивают хорошую (-10%) равномерность распределения плотности тока по сечению пучка.Недостатками этих устройств являются малый срок службы, критичность к вакуумным условиям и потребление значительной мощности (порядка нескольких кВт) на накал. Указанные недостатки устраняются при использовании плазменных катодов. Наиболее близким по технической сущности к предложенному является плазменный катод известного электронного ускорителя 2, содержащий четыре газоразрядные камеры и общий экспандер, выполненный в форме сетчатого полуцилиндра радиусом 0,10 м с закрытыми торцами. Камеры размещены на боковой плоской стороне полуцилиндра. В камерах используется дуговой контрагированный разряд с холодным катодом в магнитном поле. Разрядные камеры обеспечивают создание и поддержание в объеме 5 экспандера плазмы с плотностью, достаточной для отбора с эмиттирующей поверхности тока, близкого к суммарному разрядному току камер. Плазма создается в результате ионизации потока рабочего газа в 10 экспандере быстрыми электронами, поступающими из отверстия в анодах разрядных камер. Образованная таким образом плазма имеет потенциал, на 40 - 50 В превышающий потенциал анода, что способствует 15 максимальному выходу электронов дуги вэкспандер и распределенному горению разряда на внутреннюю поверхность экспандера. Поскольку плотность поступающих из отверстий в анодах нейтралов и быстрых 20 электронов максимальна по оси каждойкамеры, то плотность образующейся плазмы также неравномерна и для распределения плотности эмиссионного тока характерна концентрическая симметрия с максимумом 25 плотности в центре напротив отверстия. Врезультате для получения хорошей равномерности распределения плотности эмиссионного тока по длине окна расстояние между газоразряднымии камерами приходится делать небольшим, чтобы создать условия20 для лучшего перекрывания распределенийот отдельных разрядных камер. В описанной конструкции плазменного катода дляполучения на площади 80 ХЗО см распределения с неравномерностью около 20при общем токе эмиссии 15 А использовано четыре газоразрядных камеры, причемчисло камер определялось не из требуемоготока эмиссии катода, а из условий обеспечения требуемой равномерности распределения плотности тока.Необходимость использования большогочисла разрядных камер для улучшенияраспределения плотности тока эмиссии усложняет конструкцию плазменного катода,затрудняет синхронизацию зажигания разряда в камерах и снижает надежность работы катода.Целью изобретения является улучшениеравномерности распределения плотноститока эмиссии и упрощение конструкциипл азменного катода.Указанная цель достигается тем, что вплазменном катоде, содержащем газоразрядные камеры на основе дугового контрагированного разряда с холодным катодоми общий экспандер, выполненный в видеполого цилиндра, на боковой поверхностикоторого расположено закрытое сеткойэмиссионное окно, продольный размер которого близок к высоте цилиндра и в несколько раз превышает размер окна, наторцах экспандера установлены две газоразрядные камеры, оси симметрии которыхнаклонены относительно продольной осиэкспандера в направлении эмиссионногоокна, Форма эмиссионного окна плоская сразмерами, сравнимыми с требуемым размером пучка, в отличие от цилиндрическойформы у прототипа, применявшейся дляполучения в плоскости коллектора пучка споперечным размером сечения, превышающим диаметр экспандера. Требуемый уголнаклона камер зависит от соотношения продольных и поперечных размеров экспандера,На чертеже схематично изображен общий вид предложенного плазменного катода, содержащего две газоразрядные камеры 1 и цилиндрический экспандер 2, на боковой поверхности которого имеется эмиссионное окно 3, закрытое сеткой 4. Сетказаглублена в прикатодный электрод 5,Плазменный катод работает следующимобразом.При подаче разрядного напряжения в камерах 1 одновременно зажигается дуговойконтрагированный разряд. Ускоренные вдвойном слое на входе,в канал контрагирования быстрые электроны начинают ионизировать в экспандере через разрядные камеры 1 рабочий газ. Образующаяся в экспандере плазма с более высоким, чем анодный, потенциалом способствует более полному выходу дуги в экспандер и обеспечи 25 30 35 40 45 50 55 60 б 5 вает условия для распределеипого горения разряда во всем обьеме экспандера, Зксиандер заполняется газоразрядиой плазмой, концентрация которой спадает по мере удаления от отверстий в анодах камер, вблизи которых плотность нейтралов и быстрых электронов максимальна. Распределение плотности плазмы аксиально симметричное с максимумом плотности по оси симметрии камер. Такой характер распределения позволяет компенсировать уменьшение концентрации плазмы к центру эмиссионного окна посредством наклона осей камер в его направлении. Оптимальный угол наклона камер зависит от соотношения размеров экспандера, Из результатов экспериментов следует, что величина угла может быть определена как: где Н - поперечный размер экспандера;1 - продольный размер экспандера. Извлечение электронов при работе плазменного катода в источнике осуществляется через ячейки сетки 4 под действием проникающего через ячейки ускоряющего напряжения, Для плоскопараллельной геометрии ускоряющего промежутка распределение плотности эмиссионного тока соответствует распределению плотности тока по сечению пучка и полностью определяется распределением плотности плазмы у поверхности эмиссионного окна. Меняя заглубление сетки 4 в прикатодном электроде 5, можно формировать пучок с заданной угловой расходимостью и требуемыми размерами в плоскости коллектора.Испытания опытного образца предложенного плазменного катода с большой эмиттирующей поверхностью показали, что установка на торцах цилиндрического экспандера двух газоразрядных камер с наклоном осей симметрии камер в направлении расположенного на боковой поверхности экспандера эмиссионного окна позволяет получить в плазменном катоде равномерность распределения плотности эмиссионного тока не хуже, чем при использовании многоэлементных термокатодов. В то же время применение плазменного катода позволяет значительно снизить потребляемую катодом мощность, особенно при работе в импульсном режиме, увеличивает срок непрерывной работы катода и делает его некритичным к вакуумным условиям. По сравнению с плазменным катодом, взятым в качестве прототипа, предлагаемый катод позволяет улучшить распределение плотности эмиссионного тока, уменьшить количество газо- разрядных камер и, как следствие этого, упростить конструкцию и повысить надежность работы плазменного катода.Для опытного образца плазменного катеда с размерами эмиссионного окна 60 Х888797 Формула изобретения Составитель А. Рахимов Редактор Е. Зубиетова Техред О. Павлова Корректор 3. ТарасоваЗаказ 1674/4 Изд,237 Тираж 856 Подписное НПО Поиск Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5Типография, пр, Сапунова,Х 15 смз при о,=8 и общем разрядном токе камер 20 А неравномерность распределения плотности эмиссионного тока не превышала 10%. Газоразрядный плазменный катод, содержащий газоразрядные камеры и экспандер, выполненный в виде полого цилиндра, на боковой поверхности которого расположено закрытое сеткой эмиссионное окно, продольный размер которого равен длине цилиндра и превышает поперечный размер окна, отличающийся тем, что, с целью улучшения равномерности распределения плотности тока эмиссии и упрощения кон.струкции плазменного катода, на торцах экспандера установлены две газоразрядные камеры, оси симметрии которых наклонены 5 относительно продольной оси экспандера внаправлении эмиссионного окна,Источники информации,принятые во внимание при экспертизе 101. Патент США3863163, кл. Н 01 Н29(48, Н 01 Н 33/00, 28.01.80.2. Казьмин Г. С. и др. Электронный диодный ускоритель с большим сечением пуч ка. Приборы и техника эксперимента,1977,4, с, 19 (прототип).