Источник электронов

(23 ) П риоритет по делам изобретений н открытийОпубликовано 07,01.81, Бюллетень Ле 1 Дата опубликования описания 10,01.81/ Институт сильноточной электроники Сибирского отделения АН СССР(54) ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРОНОВ Изобретение относится к технике получения импульсных электронных пучков в магнитном поле и может быть использовано цля коллективного ускорениячастиц, генерации СВЧ излучения, транспортировки энергии, запасаемой в пучке,на расстоянии, нагрева плазмы.Известны источники электронов, основными фэлементами которых являются источник напряжения, взрывной катоц, ук -репленный на катоцоцержателе, и анод,установленные соосно и выполненные ввице усеченного конуса или цилинцра,вакуумная труба црейфа, коллектор пучкаи соленоиц с источником питания цля15получения магнитного поля, направленного вцоль оси источника 11,Важной проблемой при созцании такихэлектронных источников является увеличение цлительности импульса тока пучка.Наиболее близким к прецлагаемомуявляется источник электронов, в которомэлектронный пучок формируется из плазмы, образованной на цилинцрическом ка 2тоде в процессе взрывной эмиссии электронов 2, Конструктивно источник выполнен слецующим образом. Разряцный вакуумный промежуток образован сплошным цилинцрическим катоцом рациусом3 - 5,2 см, алиной 3 см и трубойкцрейфа, являющейся и анодом, рациусом г- 5, 6 см. Катоц закрепляют на катоцодержателе, прецставляюшем усеченный конус с первоначальным рациусом, равным рациусу катоца, перехоцяшем в закрепленный на изоляторе цилинцр, рациус которого больше рациуса катода, Магнитное попе В - 6 - 30 кГс в источнике созцают импульсным соленоицом с катушкой коррекции, установленными соосно с трубой црейфа, Все силовые линии магнитного поля, проходящие межцу катоцом и аноцом, с оцной стороны входят в графитовый коллектор пучка, установленный в конце трубы црейфа. а с цругой стороны пересекаются с образующими конической поверхностью катоцоцержателя и выходят на боковую стенку вакуумной каме3 7301 8ры. Последнее сделано для того, чтобыисключнть потери за счет обратного тока. В случае невыполнения этого условияформируется электронный поток, ускоренный в направлении, обратном пучку (обратный ток), и переносяций ток, сравнимый с током пуска, что резко снижаетКПД источника, Кроме того напряженность электрического поля на катоцодержателе в области пересечения с силовы оми линиями магнитного поля меньше критического поля возбуждения взрывнойэмиссии электронов, В противном случаена катододержателе образуется плазма,эмнттнрующая электроны, которые ускоряются по силовым линиям магнитного поля, попадают на анод, образуя нв нейплазму которая приводит к преждевременному пробою разрядного промежутка,Так как в реальных источниках указанная 2 Ообласть на катододержателе находится нвзначительном расстоянии от катода, тодля вывода в эту область силовых линиймагнитного поля в дополнение к соленоицу и используется катушка коррекции. Для дтого, чтобы катододержатель был проницаем для магнитного поля, он выполняется полым из немагннтного материала столщиной стенки, много меньшей толщины окон-слоя. Вакуумная камера с изолятором соединяется с трубой дрейфа коническим переходом, Все металлическиечасти источника выполнены из немвгнитной нержавеющей стали. Вакуум,( 10 мм. рт. ст,) в источнике создаетсядвумя паромасляными насосами через специальные отверстия в боковой стенке вакуумной камеры. Проведенные исследования показали, что длительность импульсов тока пучка определяется временем ораспространения катодной плазмы до анода. Измерения скорости квтодной плазмынв катоде радиусом- 3,0 см ивеличины отношения ЙЬпри расстоянии катод-анод й - 4 + 11 мм (квремя высоковольтной стадии вакуумногоразряда, в течение которого формируетсяэлектронный пучок) в магнитном поле1 ОфГс дают величину (4-7) 10 см/с,бкоторая возрастает с уменьшением расстояния катод-анод,Однако известные источники электро-, нов имеют ограниченную длительность импульса тока пучка.55Цель изобретения - увеличение длитель-. ности импульса тока пучка.Это достигается тем, что в источнике электронов, содержащем установленные 4 4соосно катододержвтель, трубу дрейфа,являющуюся и анодом, соленоид с катушкой коррекции и систему импульсногоэлектрического питания, катод выполненмно гоэмиттерным.Применение многоэмиттерного катодав предлагаемом источнике позволяет увеличить цлнтельность импульса тока пучка в 2-3 раза по сравнению с источником электронов, содержащим сплошнойкатод, Увеличение длительности импульса тока пучка обусловлено тем, что вмногоэмиттерном катоце плазма, образующаяся на отдельных эмиссионных центрах (эмиттерах), свободно дрейфует перпенцикулярно скрещенным электрическомуи магнитному полям, что приводит к значительному уменьшению скорости распрост/ранения катодной плазмы в направлениик аноцу. Максимальная длительность импульса тока пуска в источнике с многоэмиттерным катодом достигается в томслучае, если за время распространенияплазмы каждого эмиттера до анода онвне достигает плазмы сосецних эмиттеров.Для получения разнесенных по катоцуэмиттерных центров необходимо создатьлокальные области с повышенной напря- .женностью электрического поля, цоствточной цля возбуждения взрывной эмиссииэлектронов, Увеличить локально напряженность электрического поля можно с помощью внедрения цнэлектрика в металл,использования острий н так цалее,Исследование формирования электронного пучка проводят в источнике с катодом, выполненным в виде металлическойпластины с остриями, закрепленными основаниями равномерно по периметру пластины, оси острий лежат в плоскости пластины, вершины острий удалены нв равныерасстояния от анода, Измеения величиныд lх многоострийного катода при расстоянии между вершинами соседних острий У3 мм показывают, что начинаяс о " 1 см величина д (1для многоострийного катоца меньше, чем для сплошного катода. Последующее увеличение опривоцит к дальнейшему уменьшениюдик по сравнению со сплошным катодом и при 8 й 10 д величина д/кдля многоострийного катода достигает, минимальной величины, равной Й /кдля одиночного острия, которая в 2-3раза меньше чем для сплошного катода. С целью получения однородного трубчатого электронного пучка, катоц выполнен из набора, насаженных на общую ось, 5 7301 круглых пластин одного аиаметра с равным количеством закрепленных на них острий, причем пластины уцалены одна от другой на разные расстояния и кажцая послецуюшая пластина повернута относительно прецыцущей таким образом, чтобы проекции вершин острий на плоскость, параллельную плоскости любой из пластин, не совпааали оана с другой и были равномерно распределены по окруж ности. Максимальное число пластин в катоце определяют отношением расстояния межау вершинами острий к диаметру острия Мсс - - , Максимальное рассто-РВяние межцу пластинами определяют из 1 з условия, чтобы плазма острий двух соседних пластин не соецинялась в течение времени КмаКс=- -агапкгце Чи - скорость катодной плазмы ваоль магнитного поля, Минимальное рас- щ стояние равно циаметру острий (толщина пластины много меньше диаметра острия).Используя многоострийные катоды можно получать электронные пучки различной конфигурации, например, ленточной. Для 25 получения ленточного пучка острия устанавливают на прямоугольных пластинах, смещенных одна относительно другой по алине и высоте для получения .однородного пучка требуемык поперечных размеров. ЗО При этом используется соответствующей формы анод и канал црейфа.На фиг. 1 приведена общая схема предлагаемого источника электронов; на фиг.2 - расположение острий на металлической пластине.На проходном изоляторе 1 укреплен ,катоаоцержатель 2, к которому закрепляется многоострийный катоа 3, Катод выполнен в виде набора разнесенных вдоль оси источника круглых металлических пластин 4 одного диаметра с закрепленными на ник остриями 5. Труба 6 дрейфа является и анодом. Ускоренный электронный пучок попадает на коллектор 7. 4 Магнитное поле в источнике создается импульсным соленоидом с катушкой 8 коррекции, установленными соосно с тру- бой дрейфа, вакуум - парамасляными насосами через специальные отверстия 9 в боковой стенке цилинцрической вакуумной камеры 10, Вакуумная камера соеаиняется с трубой дрейфа коническим перехоцом 11. Силовые линии 12 магнитного поля, проходящие между катодом и анодом, пересекаются с образующими поверхностями катоаоцержателя в области 13, гце напряженность электрического поля меньше критического поля возбуждения 84 6 взрывной эмиссии, и выходят на боковую стенку вакуумной камеры.Устройство работает слецующим образом.Система управления выдает сигнална запуск источника питания соленоида с катушкой 8 коррекции и при цостижении максимума магнитного поля - на запуск генераторов импульса напряжения, соеаиненного непосрецственно или через обостряющий разрядник с катоаодержателем 2, на конце которого укреплен катоц 3. В вакуумном разрядном промежутке на вершинах острий 5 образуется плазма, которая и эмиттирует электронный пучок во время высоковольтной стадии вакуумного разряда,Используя катод, выполненный из трехмецных пластин диаметром 6 см с закрепленными на кажцой из них равномерно 12-адью мецными остриями, с расстояниями между пластинами в 2 см ы сме,щенными одно относительно аругого по азимуту на угол 20, в магнитном полео18 кГс при расстоянии межцу вершинами острий и аноцом С 1 - 3,5 мм ,(Р - 5,6 см) получают трубчатый электронный пучок длительностью 1 мкс. Автограф пучка, полученный на органической пленке, показывает, что все острия дают вклад в общий ток пучка, при этом на автографе можно различить отпечатки пучков, соответствующих кажаому острию.Для повышения оанородности трубчатого пучка необходимо использовать большое число пластин с остриями.формула изобретения1. Источник электронов, содержащий установленные соосно катододержатель, катоа, работающий в режиме взрывной эмиссии, вакуумную трубу црейфа, являющуюся и анодом, соленоид с катушкой коррекции цля получения магнитного поля, все силовые линии которого, прокодя щие между катодом и анодом, пересекаются с образующими поверхностями катоаодержателя в области, где напряженность электрического поля меньше критического поля возбужаения взрывной эмиссии электронов, и систему импульсного электрического питания, о т л и - ч а ю ш и й с я тем, что, с целью увеличения цлительности импульса тока пучка, катод выполнен многоэмиттерным, например, в виде металлической пласти7 730184пы с остриями, закрепленными основани- совпадали одна сли одна с другой и были равномерими равномерно по,периметру пластины1 но распределены по окружности.оси острий лежат в плоскости пластиныР сточники информации,вершины острий удалены на равные рас- принятыестояния от анода.ятые во внимание при экспертизе1, Дубовой Л. В Ройфе И, М., Сере 2. Источник по п. 1 о т л и ч а ю - денко Е В, С Е,текольников Е, В,щ и й с я тем что с ельц ю получения О возможности создания сильноточныхмикросекунцного диапазона.однородного трубчатого пучка, катоц вы- ускорителей мик осекполнен из набора, насаженных на общую Обзор ОТЛ. НИИЭФА, 1 974, с. 10.ось, круглых пластин одного диаметра с о 2. Беломытцев С. Я., Бучаев С, Правным количеством закрепленных на Ким А А. К и.олченов Н, Г., Котов Ю. А.,них острий, причем пластины удалены Кошелев В. И. С К.ухушин . Н. и Тимоодна от другой на равныерасстояния феев М Н. Ги каждая после ю авенератор сильноточных микрдующая пластина повернута секундных электронных пучков.Сб. Тев . оотносительно предыдущей так, чтобы про- з зисы докладов Ш Всесоюзного симпозиекции вершин ост ий на пллельн пп ср оскость, парал- ума по сильноточной импульсу нои электую плоскости любой из пластин, не ронике". Томск, 1978, с. 84,4 Ъа 8 ВНИИПИ Заказ 10711/75 Тираж 795 Подписное филиал ППП "Патент",Ужгород, ул Про ктпая