Плазменный источник электронов

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 01 3 3/ ргрк11ЪИЗ ПИСАН БРЕТЕН г СТВ АВТОРСКОМ Т У 24ий, Б,С, Лозовой о ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(71) Рубежанский филиал Ворошиловградского машиностроительного института(56) 1. Крейндель Ю.Е, и др, Электронный источник на основе плазма-трона с трубкой Пеннинга, ПТЭ, 1970,У 1, с. 242-243.2, Магд 6,0.8. А ретйогайее Ьр 11 ою саСЬоде е 1 есгоп Ьеаш яцп. Ча-сццш, 1968, 18, В 9, Р. 507.3. Гапоненко А.Т, и др. Электронная пушка на основе самостоятельного дугового контрагированного разряда "Электронная обработка материалов"1978, В 5, с. 80 (прототип).(54) (57), ПЛАЭ 1 ЕННЫИ ИСОЧНИ ЭЛЕ- РОНОВ, содержащий осесимметрично расположенные катод, анод с осесимметричным отверстием, промежуточный, управляющий и ускоряющий электроды,,т л и ч а ю щ и й с я тем,.что, с целью повышения надежности и экономичности источника электронов, уп-равляющий электрод выполнен в виде полого цилиндра с входной и выходной торцевыми диафрагмами, в которых вы", полнены осесимметричные отверстия, отношение диаметров которых заключено в йределах .йз, /й з = 2-4, где ц и дз - соответственно диаметрй отверстий в выходной и входной диафрагмах, при этом диаметр отвер-: стия во входной диафрагме равен диаметру отверстия в аноде, а размеры полости в управляющем электроде более чем в 2 раза. превышают диаметр отверстия в выходной диафрагме,Изобретение относится к газоразрядным технологическим устройствам,в частности к плазменным источникамэлектронов, и может быть использо вано для обработки материалов в вакууме (сварки, плавки и т.д.).Известен плазменный источникэлектронов, в котором извлечениеэлектронов осуществляется из плазмыдугового контрагированного разряда 11. Этот источник обладает низкой электрической прочностью ускоряющего промежутка и малой экономичностью извлечения электронов, т,е.мало отношение тока пучка электронов 15к разрядному току.Известен также плазменный источник электронов на основе высоковольтного тлеющего разряда с полым.катодом 21. Его недостатками являются сильная зависимость тока пучкаФот давления в рабочей камере и низкаяэлектрическая прочность, обусловленнаявысокими рабочими давлениями( " 10 мм рт. ст,). дИзвестен также плазменный источник электронов, .содержащий осесимметрично расположенные катод, анодс осесимметричным отверстием, промежуточный, управляющий и ускоряющийэлектроды 3 3, Недостатками этогоисточника являются малая надежностьиз-за низкой электрической прочностиускоряющего промежутка и малая экономичность извлечения электронов.35Низкая электрическая прочность ускоряющего промежутка обусловлена плохим токолрохождением через отверстиеускоряющего электрода что связанос неравномерностью плотности пдазмы,вызванной контрагированием разрядаи образованием по этой причине выпуклой границы плазмы, расфокусирующей электроны, Установка экспандерауменьшает расфоКусировкупучка,но приэтом значительная часть элекчрановтеряется на стенках экспандера, чтоснижает экономичность извлечения,Цель изобретения - повышение надежности и экономичности плазменногоисточника электронов,Это достигается тем, что в плазменном источнике электронов, содержащем осесимметрично расположенные катод, анод с осесимметричным отверстием, 55промежуточный, управляющий и ускоряющий электроды, управляющийэлектрод выполнен в виде полого цилиндра с входной и выходной торцевыми диафрагмами, в которых выполненыосесимметричные отверстия, отношениедиаметров которых заключено в пределах 1 Я 2 4 гдсоответственно диаметры отверстий ввыходной и входной диафрагмах, приэтом диаметр отверстия во входнойдиафрагме, равен диаметру отверстияв аноде, а размеры полости в управляющем электроде более чем в 2 разапревышают диаметр отверстия в выходной диафрагме.На чертеже схематично изображенпредлагаемый плазменный источникэлектронов, который состоит. из катода 1, промежуточного электрода 2,анода 3, ускоряющего электрода 4,управляющего электрода 5 с входнойдиафрагмой 6 и выходной диафрагмой 7,Плазменный источник электроновработает следующим образом,При включении разрядного напряжения, прикладываемого между катодам 1 и анодом 3, в разрядной камере зажигается дуговой разряд между этими электродами через отверстие в промежуточном электроде 2. С катодной стороны промежуточного электрода возникает двойной электростатический слой, который заставляет часть элект. ранов разрядного тока попадать через отверстия в аноде 3 и во входной диафрагме 6 в полость управляющего эл ктрода 5. Электроны, ускоренные напряжением двойного слоя, ионизируют в полости газ, который поступает из разрядной камеры, и в полости образуется плазма. Из расходящегося потока электронов лишь незначительная приосевая часть их выходит в сторону ускоряющего электрода, а остальная часть оседает на внутрен-ние стенки полости управляющего электрода, При включении усКоряющего напряжения между электродами 4 и 5 электроны, вышедшие из полости управляющего электрода 5 через отвер-. стие в выходной диафрагме 7, ускоря- ются и формируются в пучок. Равномерная плотность эмиссии электронов способствует формированию вогнутой границы плазмы, хорошему токопрохождению пучка электронов и увеличению электрической прочности ускоряющего промежутка. Однако ток пуМка мал по величинеПовышение давления газа в ускоряющем промежутке путем увелиз 10489чения расхода газа в разрядную камеру или ускоряющий электрод приводитк появлению плазмы в отверстии ускоряющего электрода за счет ионнзацнипучком электронов. Образовавшиесяв электрическом поле ускоряющего промежутка ионы ускоряются и попадаютв полость управляющего электрода,Здесь быстрые ионы перезаряжаются,образуя медлениые ионы, и за счет 10большого времени их жизни повышают.потенциал плазмы в полости до величины порядка сотен вольт. Повышениепотенциала приводит, во-первых,к увеличению доли электронов, посту-пакщих из разряда в полость из-заперераспределения анодного токамежду электродами 3 и 5 и, во-вто-рых, увеличение энергии электроновприводит к.усилению объемной генерации.как электронов, так и ионов,а появление вблизи внутренних стенокполости управляющего электрода 5электростатического слоя с потенцИалом в сотни вольт способствует 25ускорению электронов, выбитых со.стенки ионами, Эти электроны такжепринимают участие в генерации новыхэлектронов (физические явления, связанные с перезарядкой и объемнойгенерацией заряженных частиц, аналогичны процессам, характерным для,высоковольтного тлеющего разряда;с полым катодом). Медленные электро-ны, возникающие в,полости за счетобъемной ионизация, а также элект 35роны, поступившие из разряда, нопотерявшие часть энергии при взаимодействии с плазмой полости, не могут.покинуть эту полость иначе как толь 40ко через отверстие в выходной диафраг"ме, Таким образом;достигается увеличение тока пучка при неизменном разрядном токе, т.е. повышение экономичности источника,Одновременно достигается повышение надежности источника электронов.за счет хорошего токопрохожденияинтенсивного пучка электронов через,отверстие в ускоряющем электроде,благодаря равномерному распределению 56 4цлотности тока эмиссии электроновс границы плазмы и устранению расфокусирующего действия в ускоряющемэлектроде.Отношение диаметров отверстийЙй з = 2-4 выбирается таким,вьчтобы обеспечить устойчивый высоковольтный тлеющий разряд между полостью управляющего электрода.и ускоряющим электродом и исключить пере-.ход разряда через малое отверстие.во входной диафрагме в разряднуюкамеру. Отклонение от указанного соотношения в большую сторону, вызыва-.ет снижение давления в полости иухудшает условия зажигания высоковольтного тлеющего разряда. Отклонение в меньшую сторону приводит коблегченйю зажигания высоковольтноготлеющего разряда через полость в,раз-рядную камеру, что приводит к пробоюускоряющего промежутка.Соотношейие дзИф 1 Ид - диаметр отверстия в аноде) выбираетсяна основании того, что отклонениеот него в большую сторону вызываетухудшение управляющих свойств управляющего электрода, а отклонение вменьшую сторону снижает ток электро-.нов, поступающих из разрядной камеры,что уменьшает ток пучка,Линейные размеры полости должныболее чем в 2 раза превышать диамЕтротверстия в выходной диафрагме, чтобы обеспечить колебания элеКтроновв полости и тем самым облегчить зажигание в полость высоковольтного тлеющегоразряда.Проведенныеиспытания прототипаи предлагаемой конструкции показали,что экономичность предлагаемого источника, представляющая собой отношение тока пучка к разрядному току, .составила 507, а для прототипа - ЗЗЖ.Токопрохождение в предлагаемом источ.нике 993, тогда как в прототипе -,90 Х,Таким образом отличительные признаки предлагаемого устройства обеспечивают его более высокую надежностьи экономичность по сравнению с прототипоматент", г, Ужгород, ул. Проектная Филиал Редактор Л. Письман Техред Т.Дубичнак Корректор Е.