Высоковольтный диод

ЯО 10223 СОЮЗ СОВЕТСКИСОЦИАЛИСТИЧЕСКРЕСПУБЛИК 0 з(50 Н 05 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТ(71) Объединенный институт ядерных исследований(56) 1, Смирнов В. П. Получение сильно- точных пучков электронов. ПТЭ, 1977,2, с. 21 - 22.2, Коренев С. А. формирование сильно- точных электронных пучков в сильноточном диоде. Сообщение ОИЯИ, 9 - 81 - 573, Дубна, ОИЯИ, 1981 (прототип) .(54) (57) ВЫСОКОВОЛЬТНЫИ ДИОД, содержащий герметичную камеру с осесимметрично расположенными анодом и катодом, выполненным в виде металлической подложки с диэлектрической вставкой и вспомогательным электродом, отличающийся тем, что, с целью увеличения длительности импульса тока пучка электронов, вспомогательный электрод выполнен в виде размещенного коаксиально с подложкой металлического цилиндра, отношение диаметракоторого к диаметру подложки заключено впределах О, - 0,03, при этом торцы подложки и вспомогательного электрода лежатв одной плоскости, диэлектричвская вставка выполнена толщиной, удовлетворяющей соотношениюс 1 ЕР/20,где Р - расстояние между анодом и вспомогательным электродом;- диэлектрическая проницаемость материала вставки,а обращенная к аноду поверхность диэлектрической вставки покрыта слоем веществас работой выхода с 3 эВ.35 содержащий герметичную камеру с осесим. метрично расположенными в ней анодом и катодом, выполненным в виде металлической подложки с диэлектрической вставкой и вспомогательным электродом 2, В этом устройстве анодом является прозрачная для электронов металлическая фольга из бериллия или металлическая сетка с высоким коэффициентом прозрачности, а на поверхность диэлектрической вставки уложена металлическая сетка. Диэлектричес кая проницаемость вставки составляет е "2- 10. При подаче импульса напряжения на диод, оно распределяется между двумя конденсаторами С, и С . Первый конденсатор образован металлической подложкой и металлической сеткой, а второй - металли ческой сеткой и анодом. Напряжение на первом конденсаторе С 1 определяется по формулеЪ =а.й 1 У д(1)где О - напряжение на диоде;6, - толщина и диэлектрическая проницаемость диэлектрической вставки;а - зазор между анодом и металлической сеткой. Устройство относится к сильноточной электронике и может найти применение в ускорительной технике, термоядерных исследованиях, технике генерации СВЧ колебаний, возбуждаемых в волноводе электронным пучком, и в других областях техники, где используются сильноточные электронные пучки.Известен высоковольтный диод, содержащий вакуумную камеру, проходной высоковольтный изолятор, катодный узел и анод, прозрачный для электронов 1. При этом катодный узел состоит из катодной ножки, в которую вворачивается по резьбе металлический катод. При подаче на диод импульса высокого напряжения от генератора импульсного напряжения на катоде формируется катодная плазма, являющаяся эмиттирующей поверхностью. Этот диод хорошо работает при средней напряженности электрического поля в зазоре между анодом и катодом, равной 400 кВ/см, Для получения такой напряженности электрического поля необходимо подавать на диод импульсы напряжения амплитутой з 500 кВ при средних зазорах между анодом и катодом 1 см.Недостаток этого устройства состоит в небольшой длительности импульса тока пучка электронов. Максимальная длительность импульса тока пучка электронов определяется максимальным временем замыкания плазмой промежутка между анодом и катодом, Скорость движения катодной плазмы, как правило, лежит в интервале (4 - 8) 10 см/с. При этом максимально возможная длительность импульса тока пучка электронов для величины зазора между анодом и катодом =1 см не превышает 250 нс.Известен также высоковольтный диод,5 10 15 20 25 Зо При подборе параметров Я, 1.1, д, а можно получить напряжение на емкости С 1, при котором может развиться незавершенный разряд по поверхности диэлектрика. Условие зажигания разряда определяется формулойЪ 1-)юр (2)где Ц - пороговое напряжение зажиганияразряда;/с, - напряжение на конденсаторе С .В этом диоде скорость движения катодной плазмы в сторону анода для многих материалов диэлектрической вставки составляет Ч 1 - (2 - 8)10 см/с. Следовательно, максимально возможная длительность импульса тока пучка электронов, определяемая по форм леУи= у, (3)где Ро - зазор между анодом и катодом;Ъ, - скорость движения катодной плазмьч в сторону анода,при зазоре -1 см не превышает величины-500 нс.Недостаток этого устройства состоит внебольшой длительности импульса тока пучка электронов.Цель изобретения - увеличение длительности импульса тока пучка электронов.Указанная цель достигается тем, что ввысоковольтном диоде, содержащем герметичную камеру с осесимметрично расположенными в ней анодом и катодом, выполненным в. виде металлической подложки с диэлектрической вставкой и вспомогательным электродом, последний выполнен ввиде размещенного коаксиально с подложкой металлического цилиндра, отношениедиаметра которого к диаметру подложки заключено в пределах 0,1+0,03, при этомторцы подложки и вспомогательного электрода лежат в одной плоскости, диэлектрическая вставка выполнена толщиной,удовлетворяющей соотношениюЖ е Р/20,где Р - расстояние между анодом и вспомогательным электродом;а - диэлектрическая проницаемостьматериала вставки,а обращенная к аноду поверхность диэлектрической вставки покрыта слоем веществас работой выходай 3 эВ.В этой конструкции при подаче импульса высокого напряжения на диод возникаетравномерный скользящий разряд между цилиндрическим электродом и краями металлической подложки на поверхности слоявещества с работой выходач ( 3 эВ. Этотразряд представляет собой эмиттер электронов, из которого под действием электрического поля производится токоотбор электронов. Скорость движения катодной плазмы в сторону анода в такой конструкциидиода уменьшена по сравнению со скоростью в прототипе, что позволяет увеличитьвремя от начала разряда до закорачиваниякатодной плазмой промежутка между анодом и катодом, Последнее приводит к увеличению максимально возможной длительности импульса тока пучка электронов безувеличения зазора между анодом и катодом.На фиг. 1 схематично показано предлагаемое устройство; на фиг. 2 - зависимости порогового напряжения зажиганияразряда по поверхности слоя вещества отдиаметра диэлектрической вставки.В устройство входят металлическая подложка 1, диэлектрическая вставка 2, слой3 вещества с работой выходач 63 эВ, цилиндрический вспомогательный электрод 4,анод 5, проходной изолятор 6, вакуумнаякамера 7.Диод можно рассматривать как систему 15паразитных емкостей СС, С конденсаторов Конденсатор с емкостью Собразован анодом 5 и цилиндрическим электродом4, конденсатор с емкостью С - обращенными одна к другой торцовыми,поверхностями цилиндрического электрода 4 и металлической подложкой 1, конденсатор с емкостью С - обращенными- одна к другойбоковыми поверхностями цилиндрическогоэлектрода и металлической подложки.В предлагаемом устройстве емкость С 25мала по сравнению с С и ею в расчете амплитуды напряжения можно пренебречь,Емкости С и С соединены параллельно,поэтому их общая емкость рассчитываетсяпо формулеЕмкости С и С. определяются по формуламС: - , - (5)Я 68ъ В%Я35где бе,Е, - диэлектрическая проницаемость вакуума, диэлектрической вставки 2 и слоя 3 вещества;6,1 - площадь н толщина цилиндрического электрода 4; 406 - толщина диэлектрическойвставки 2;К,Я, -отношение радиусов металлической подложки 1 и цилиндрического электрода.4.При реальных геометрических параметрах диода: 1=1 мм;ай=10 - 30; Е=2 - 10;6-1; 3=15 мм 2, и д, удовлетворяющем условию - . (Р - расстояние анод - вставь яв20ка),, СъСз (7) 50Так, при Е=2, Е =10 и 0=10 мм из условиядф получаем величину д, равную 1 и 5 ммсоответственно. Подставляя значения д ==1 мм; 8=12 мм 2;Рп-- 10;Е,-1 в формулу отношения емкостей С з и С 2(8) получает при е =2- = 0,08и при Я-=10-- 0,016.Слой вещества с работой выхода у 3 эВ.необходим для получения одйородного скользящего разряда между торцом цилиндра4 и краем подложки . Эксперименты показали, что можно исйользовать в качествематериалов этих веществ, например, окисьили закись бария, у которых работа выхода "-2 эВ. Этот слой, как следует из урав,нения Фаулера-Нордгейма, позволяет получить требуемое для разряда количествоавтоэлектронов при относительно небольшойнапряженности электрического поля,Устройство работает следующим образом.При подаче импульса напряжения надиод оно распределяется между двумя конденсаторами, Напряжение на конденсаторес емкостью С может составить несколькокиловольт, что достаточно для зажиганияскользящего разряда. При напряжении надиоде 1.)=200 кВ; д =2 мм; 0=10 мм; 8=4получает напряжение на конденсаторе семкостью СзкВ. Этого напряжения достаточно для зажигания разряда при диаметре диэлектрической вставки и диаметрецилиндрического электрода 45 мм; На фиг. 2приведены зависимости порогового напряжения зажигания разряда по поверхностислоя вещества с работой выходач 63 эВ отдиаметра диэлектрической вставки при диаметре цилиндрического электрода 45 мм.При натяжении на конденсаторе с емкостьюСа, удовлетворяющем условию=ЙЬ 1 (9)где 1 1, - пороговое напряжение зажигания скользящего разряда;- напряжение на диоде;- зазор между анодом и цилиндрическим электродом;Е 4 - диэлектрическая проницаемостьи толщина вставки,будет сформирован скользящий разряд, Поддействием электрического поля между катодом и анодом ток.электронов отводится всторону анода. Поскольку анод является прозрачным для электронов, пучок проходитсквозь него и используется далее. При проведении экспериментов было выявлено, чтодля работоспособности такого диода (формирования катодной плазмы и токоотбора)необходимо выполнить условие(ЫЯ, (10)где 0 - зазор между анодом и цилиндрическим электродом;й,б- толщина и диэлектрическая проницаемость диэлектрической вставки.Кроме того, необходимо, чтобы диаметрцилиндрического электрода был меньшедиаметра диэлектрической вставки в 10 -1022338 Составитель А. ЗахароТехред И. ВересТираж 845ВНИИПИ Государственного комитпо делам изобретений и отк113035, Москва, Ж - 35, Раушскаяилиал ППП Патент, г. Ужгород, ул Корректор Г. ОгарПодписноета СССРрытийнаб., д, 4/5Проектная, 4 едактор А, Ворович аказ 4073/50 30 раз. Этот параметр находится в непосредственной связи с зависимостью, приведенной на фиг. 2. При невыполнении этих условий скользящий разряд переходит в искровой канал, что уменьшает величину электронного тока из-за уменьшения площади, эмиттирующей электроны.В предлагаемом устройстве катодная плазма расширяется в сторону анода с некоторой скоростью У определяемой параметрами плазмы. При этом плазма имеет и вторую компоненту скорости вдоль слоя вещества с работой выхода сгйЗэВ. Эта скорость определяется разрядным током и энергией электрического поля конденсатора с емкостью С. Как показывают измерения, скорость катодной плазмы в сторону анодасоставляет для окиси бария Ч 10 зсм/с, а для закиси бария Ъ,- 8104 см/с. Измерения величины У, проводились по методике закорачивания диода плазмой. Для этого устанавливался некоторый зазор Р между анодом и цилиндрическим электродом, при котором время закорачивания плазмой промежутка между анодом и катодом меньше длительности импульса напряжения на диоде. Когда плазма закорачивает диод, в форме импульса напряжения наблюдается характерный излом. Определяя по осциллограмме импульса напряжения время от начала формирования плазмы до момента излома, можно определить время закорачивания диода катодной плазмой. Зная расстояние Р между анодом и цилиндрическим электродом и время закорачивания диода плазмой, определяем скорость движения катодной плазмы в сторону анода Ъ 1 по формулеЬгде 1 - время закорачивания диода плаззмой.Из измерений и вычислений следуют зна чения скоростей Ъ, указанные выше.В прототипе максимальная длительностьимпульса тока не превышает величины -0,5 мкс, тогда как в предлагаемом устройстве это время может составлять величину 10 мкс при зазоре между анодом и катодом = 1 см. Следовательно, предлагаемое устройство позволяет увеличить длительность импульса тока пучка электронов в 20 раз по сравнению с прототипом. В опытных образцах катодных узлов металлическая подложка была выполнена из меди, а материалом диэлектрической вставки служил винипласт (Я" 4) толщиной 3 мм, Анодом служила бериллиевая фольга. Слой вещества с работой выхода чЗэВ был вы полнен из окиси бария, При напряжениина диоде 200 кВ получен электронный ток длительностью б мкс при зазоре между анодом и катодом =1 см при давлении остаточного газа в вакуумной камере диода Рв торр.