Способ создания сильноточного электронного пучка

СОВЕТО ВВ ТНЧЕСЧИХ 505 и,)ВО ОПИСАНИЕ ИЗОЬРЕ ГЕНИЯН Д ВТОР(НОМУ СВИДЕТЬ"ЬСТВУ политех "ъл ):;1 зкнина ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРОО ДЕЛЕЦ ИЗОЕРатэжй И ОТНРЫТ й(56) Ииллер Р. Введение в физику силькоточнцх пучков заряхеннис частиц. И.: Иир, 1984.Авторское свидетельство СССР У 708544, кл. Н 05 Н 5100,9" (54) СПОСОБ СОЗДАНИЯ СИЛЬНОГРйОГО ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА(57) Изобретение относится х электронике больших мощнастек к моает быть использовано в электронных вакуумных приборах, Цель изобретения - снижение токовых и энергетических потерь и повцшение технико-экоиомическок эФ.зктивности,реализации способа. Электронный пучок 3 эмиттируется катодом и ускоряется в направлении анода 2. Внутри катодного узла 1 установлен ижкектор мапцх частиц (ИЧ), вцполкен)ыР, в виде камеры с мелкодксперскцм.кедена соотношение для определенис: размеров и вещества ИЧ. Ионкза,чя МЧ осуществляется при соудареннях с злектронамк скльноточного электронного пучка (СЭП). ИоннзкрованнцеИЧ слухах для нейтрализации СЭП. Рас"полженке кнкектора ИЧ внутри катодного узла обеспечивает возмокностьформирования распределеннсй мишенив обла"тк виртуального катода, исключал потери тока .". энергии пучка. Распределенная мише".:ь формируется методом ось;пения лябс) путем придания ИЧмеханического импульса, Изменениевремени вклкчевкя к выключения инжектора относительно импульса СЗПпозволяет задать расположение распределенной мишени и требуемую еепрс)тяюенность ка любом участке СЗПво время рабочего импульса. 1 з,п.ф,3 ил.Изобретение относится к электронике больших мощностей, в частности кэлектронным вакуумным приборам (ЭВП)с сильноточным электронным пучком(СЭП),Целью изобретения является снижение токовых и энергетических потерь,,повышение технико-зкономической эф"фективности реализации способа засчет подавления колебаний нейтрализующих ионов. нарастает от О до 1, собственное поле ПЗ падает до нуля. Колебания ионного фоил подавлены из-за чрезвычайно высокой массы ионов. Поскольку плазмообразующая среда отсутствует н объеме ЭПВ всюду, кроме объема СЭП, электрическое поле при 2 -1 соответствует н зазоре катод - анод решению уравнения Лапласа, и котором наличие виртуального катода невозможно. Поток вторичных электронов из прика 1 одной области увеличивает первеанс источника.Расположение инжектора МЧ внутри катодного узла обеспечивает возможность формирования распределенной мишени в области виртуального катода, который существовал бы в отсутствие этой мишени, вызывая потери тока и энергии пучка. На фиг. 1-3 приведены конструкции катодных узлов с инжекторами(инжекторы на фиг. 1 и 2 основанына осыпании порошка н источникахСЭП с вертикальной осью, инжекторна фиг. 3 рассчитан на применение висточнике с горизонтальной осью).Устройство для реализации способа содержит катодный узел 1, анод 2.,Электронный пучок 3 эмиттируется катодом и ускоряется в направлениианода 2. Внутри катодного узла 1установлен инжектор малых частиц,выполненный в виде камеры 4 с мелкодисперсным порошком 5, связанной сустройством б для перемещения малых ; частиц (МЧ).В соответствии с предлагаемымспособом плазмообразующая среда ввиде распределенной мишени состоитиз МЧ. МЧ называются частицы вещества, размер которых лежит в пределах от сотых долей микрометров до десят, ков микрометров, они могут быть изготовлены из самых разнообразных веществ: металлов, диэлектриков, полу"проводников, полимеров и др, МассаИЧ достигает значений 10 г и более . т.е, она на.д 10 порядков и болеепревышает массу атома. Распределен, ная мишень из МЧ к началу импульсаСЭП расположена в части объема пучка и не выходит из этого объема так ,как МЧ практически неподвижны в те"чение рабочего импульса. Проводи"мость б, плазмообразующего канала в поперечном направлении близка к нулю, что исключает радиальный пробой СЭП и, собственно, токовые и энергетические потери н поперечном направлении.Ионизация МЧ осуществляется при соударениях с электронами СЗП и уходе вторичных электронов из объема распределенной мишени, коэФФициент зарядовой нейтрализациипри этом Инжектор, установленный внутри катодного узла, формирует плазмообраэующую среду путем встрела МЧ сквозь отверстия, находящиеся на эмиттирующей поверхности или вблизи нееПри этом плг:менный канал направлен вдольпучка на катод, т.е. он закорачинает продольное электрическое поле пространственнот о заряда вдоль СЭП, подавляя виртуальный катод. В определенном интернале размеровчастиц порошки из МЧ обладают сыпучестью в вакууме, что позволяет формировать распределенные мишени методом осыпания.Кроме метода осыпания можно формировать мишень путем придания МЧ меха Онического импульса. В первом методеначальная скорость МЧ равна нулю, вовтором устанавливается равной требуе"мому ненулевому значению.Устройство для перемещения МЧ в 45-.направлении к эмиттирующей поверхности содержит узел, связанный черезвакуумный высоковольтный зазор с источником сигнала, находящимся под нулевым потенциалом. Канал связи можетбыть оптическим электромагнитным вСВЧ-диапазоне, магнитостатическим,механическим с диэлектриком и служитдля передачи маломощного сигнала отисточника. Источник энергии находится либо под нулевым потенциалом, ли, бо установлен на высоковольтной линии, например внутри катодного узлав устройстве для перемещения МЧ. ЭтоустройСтво включает в себя, кроме то3 1 ч 385 го, электромагянт.для создания вибраций или удара, или вращаощийся на оси диск (см. Фиг, 1-3), илн иное электромеханическое приспособлени, например, пьезокерамику, динамический конденсатор.Изменение времени включения и выключения ннжекторв относительно импульса СЭП позволяет задать расоло" 1 п жение распределенной мишени и требуемую ее протяженность ив любом участке СЭП во время рабочего импульса.В соответствии с предлагаемым способом размер частиц д определяет" 15 ся условием где д.10мкм " наименьше. зна ц ,чение размера, определяемое си,":ствами порошка, конструкцией инжект е и квтодного узла, параметрами СЭП,-К - глубина проникновения электро,нов в вещество порошковой мишени (и) 251Р10 ф - 10 . - эмпирический коэффициент, определяемый свойст" вами вещества порошковой мишени, пара 4 етрами СЭП, допустимыми потерямн энергии в мишени. ЗО Типичные значения параметров СЭП1.. определяются энергией электронов К =10 ф - 10 з кэВ, работой,в режимеединичных импульсов тока 1 - 10 Л,длительностью с = 10 -10 с. Приаэтом значение К составляет несколькодесятков или сотен микрометров в зависимости от свойств вещества порошковой мишени: К = 1 Оф мкм. 40При заданных выше значениях коэффициента К потери энергии при прохождении электрона СЭП сквозь малую частицу, изготовленную, например, из лития или алюминия, составляет несколько единиц - десятков электронвольт;ЬЕ = 1,0-101 эВ,л л л с(3)м о м+ "р3 иьарииер, выбором постоянной времениЖМмюевкных деталей инжектрря,аси ри, (1) Концентрация частиц мишени и (1/мф ) определяется соотношением М .м и---(2)2 спе 2 кЕи;Р д м - С 1,1 з где коэффициент допустимых потерьЯэнергии электронов в мишени.Е - энергия электронов падаюевсна мишень (кэВ); 914Сг - Функция распределения потерьЭнергии электронов по глубине образца, известная дляразных веществ в широком интервале энергий (кэВ/м);1 н - размер .1 йени вдоль оси СЭП(м)фи " концентрация ионов на малойчастице (1/м);и " концентрация электронов СЭП(1/м ,Огрвйичение снизу в вырвженни (2получено из условия полной нейтрали"зации ПЭ, сверку - исходя иэ допустимых потерь энергий.Работа устройства для реализацииспособа происходит следующим образом.В период подготовки помещают в камеру 1 инжектора мелкодисперсный порошок 5, заряжают источник энергии инжектора, затеи запускают инжектор вмомент 1 с, на единичный циклдлительностьюи разрывают каналсьязи инжектора с источником сигнала.+ лВ заданный момент времени е + (,м,ф%определяемый постоянной времени ,формирования мишени, падают импульсСЭП. В течение рабочего импульса СЭП2 малые частицы практически неподвижны в здданном об 1 еме нейтрализации, нейтрализация и уход вторичныхэлектронов устанавливаются зя время10 - 10 с. Во время рябо"чего ймпулься могут быть существенныпроцессы нагр ва ИЧ кипени и нх распад (испарение) на соответствующиеатомы (ионы). В паузе между импульсами СЭП мишень вь 1 ходит из заданного,объеияеВ типичных установках с СЭП предлагаемое устройство позволяет осуществить, по данным испытаний, несколько сотен импульсов в серии безперезарядки инжектора и источникапитания. Заряд источника питания,наксщящегося в катодном узле, можетее 1 явествляться частью протекающегошв токовводу катодного узла импульсазека. Источник питания инжектора,аВарнмер аккумулятор, может находитЬая ва высоковольтном нноле в вакуумшув камеру вне ее.Длительность цикла инжектора устайааливают в пределах5 1438591Время полевой нейтрализации ЙЗ длятипичных установок с СЭП составляет пмакс 4 еп10ссм Г, -5 10 с. 12 Ф, ЬВ,П гьь ( ф)ф (5)см Я и "7 где" удельный заряд электрона,М. - отношение массы ИЧ к массеэлектрона;Г - напряженность электричес"кого поля.Время нагрева ИЧ до предельнодопустимой температуры должно бытьне менее длительности импульса 2 еСМв: Еъ , (6) щг 1 -Кц 7 теплоемкость вещества ИЧ(кг/м). щ ндВыбор размеров и вещества ИЧ, ; . частиц.концентрации частиц мишени по заданнюю параметрам СЭП осуществляется 40 Ф о р м у л а и з о б р е т е н и япутем совместной реализации условий(1-6) в предлагаемом способе. Определяющими являются условия (1,2),условия (3-6) менее жесткие н допускают некоторые отклонения в конкретиык условиях эксперимента.Рассмотрим работу устройства напримере типичного сильноточного РЭП,имеющего параметры 17 = 5 10 В, Е =й 10 ф А с = 10 с. Вещество мишее и -БОни - алюминий, размер частиц д =1 мкм.Основные Данные определяют по таблицам Физических величин. Значение пробега К составляет приблизительно200 мкм, отсюда параметр Р = 5 10"условно (1).Иэ условия (2) имеем: и,= 2 10 си; г де 3 - плотность тока СЭЙ (А/м);8 - эФФективный коэЦациентвторичной электройнойэмиссии ИЧ мишени;Й - длительность Фронта нипуль"са СЭП (с).Время смещения ИЧ иа допустимое расстояние Д Б (м) должно быть ие менее длительности импульса Проведенные расчеты, а также эксперименты подтверждают возможносгь 15 использования предлагаемого способа,Дополнительная оптиьнзация ОпределяетсЯ выбором более пОДхОДЯЩих веществ и размеров ИЧ, например лития,слюды и других диэлектриков и т.д.20Предлагаемый способ имеет большиеперспективы применения в народном хозяйстве. В научных исследованиях, вэлектронной проиьппленности и знерге- Ж тике данный способ позволяет повысить энергию и ток СЭП, улучшить возможности их транспортировки, довесить технико-экономическую эФФектнвность установок, генерирующих СЭП. ЗО Способ может быть использован такжедля диагностики СЭП, если одновременно измерять характеристики излученияиз распределенной мишени. Кроме того,предлагаемый способ позволяет получать плотную плазму с высокой кон",центрацией энерцн, производить изучение свойств ве ества в в е малых 1. Способ создания сильноточного электронного пучка, включающий генерацию сильноточного электронного пучка в ускорителе прямого действия с катодным узлом и нейтрализацию объемного заряда сильноточного электронного пучка, О т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью снижения токовых и энергетических потерь, повышения технико-экономической эффективности реализации способа, нейтрализацию объемного заряда сильноточного электронного пучка Осуществляют ионизированным мелкодисперсным порошком, причем мелкодисперсный порошок ионизируют создаваемым сильноточным электронным пучком внутри катодного узла в области вертуапьного катода при пе-,7 1 ч 385ремер нии камеры с порошком вдоль оснэлектронного пучка.2. Способ по п.1, о т л и ч а ю -щ и й с я тем, что размеры частицмелкодисперсного порошка определяютсогласно соотношению 1 мин1 " РВе10где д10":" наименьшее значение размера, определяемое свойствами порошка, конструкцией камеры катодного узла, параметрами сильноточного эЛектронного пучка (мкм); 1о - размер частиц порошка (и),К - глубина проникновения эле;" снов в вещество порошковой киюенн (и),Р10-ф - 10- эмпирическ.4 коэффициент, определяемый свойствами 23вещества порошковой мишени, пар,:;етрами сильноточного пучка, допустимыми потерями энергии и мишени,а концентрацию частиц порошка Н оределяют из соотношения 25 В2 ГпВИ3 по 1 с 1 д где" к" ФФициент допусти 6 ЕЕмых потерь энергии электронов в мишени;6 Е - потери энергии прн прохояденин электроном сквоэь частицу пороюко (кэВ); К - энергия электронов, подающих на мишень (кэВ);С - функция распределения потерь. энергии электронов по глубине образца, для данного вещества (кэВ),1 - раэмер мишени вдоль оси источника (и); и - концентрация ионов на частице порошка (1/м);и - концентрация электронов силь"епаточного пучка (1 м);Г - коэффициент зарядовой нейтрализации пучка.Составительна Техред А,ХрЮдт и Ею ЩЦ еВ щевее ееее3444.Тираж 454 ВНИЯПИ 1 осударст по делам изоб 13035, Москва, В-ЗИ. Зацевчк сю Корректор В.ПилипенкПодлисноеенно 3 о коиитета СССРетений н открытий