Импульсный источник электронов со взрывной эмиссией

Импульсный источник электронов со взрывной эмиссией

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к электронной технике, в частности к технике получения импульсных сильноточных релятивистских электронных пучков. Цель изобретения - повышение качества пучка электронов путем подавления низкоэнергетичного потока, следующего за основным импульсом, и повышение ресурса источника. В импульсном источнике электронов со взрывной эмиссией, включающем формирователь импульсного высоковольтного напряжения и вакуумный диод, в диоде анод выполнен из плоской фольги и перекрывает выходное отверстие. Катод имеет форму стержня и обращен торцом к плоскости анода. Стержень катода изготовлен из вилита, а держатель выполнен с возможностью изменения рабочей длины стержня без изменения величины анод-катодного промежутка. Технико-экономические преимущества источника электронов заключаются в повышении качества пучка электронов, которое выражается в улучшении энергетического спектра пучка и улучшении распределения тока по сечению пучка. Кроме того, увеличивается в 20 раз ресурс работы катода. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУ6ЛИК

К А ВТОРСНОМ .I СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ по изоБРетекиям и откРытиям

ПРИ ГНКТ СССР

1 (21) 4643256/24-21 (22) 21.12.88 (46) 30.09.90. Бюл. Ф 36 (72) Н.И.Гапоненко, В.М.Солоница, Ю.В.Ткач и И.Ф.Харченко (53) 621.3.032.2 12(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР и 1308167, кл. Н 01 J 1/30, 1987.

W.Condit, D Pellinen et а1 Gene-—

ration and diagnosis of terawatt

centimeter electton Ьеапи Physical

Feviего Letters, 1973, v.30, Р 4, р. 123-125. (54) ИМПУЛЬСНЫЙ ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРОНОВ

СО ВЗРЫВНОЙ ЭМИССИЕЙ (57) Изобретение относится к электронной технике, в частности к технике получения импульсных сильноточных релятивистских электронных пучков. Цель изобретения — повышение качества пучка электронов путем поИзобретение относится к технике получения импульсных сильноточных релятивистских электронных пучков (РЭЦ) и может быть использовано для облучения образцов электронами при материаловедческих исследованиях, кроме того, может найти применение в исследованиях, использующих электронные пучки для осуществления импульсного управляемого термоядерного синтеза.

Цель изобретения — повьппение качества пучка электронов путем подав„„SU,„1596400 А 1 (51) 5 Н 01 J 1/30

2 давления низкоэнергетического потока, следуюшего за основным импульсом, и повышение ресурса источника. В импульсном источнике электронов со взрывной эмиссией, включающем формирователь импульсного высоковольтного напряжения и вакуумный диод, в диоде анод выполнен из плоской фольги и перекрывает выходное отверстие. Катод имеет форму стержня и обращен торцом к плоскости анода. Стержень катода изготовлен из вилита, а держатель выполнен с воэможностью изменения рабочей длины стержня без изменения величины анод-катодного промежутка.

Технико-экономические преимущества источника электронов заключаются в повышении качества пучка электронов, которое выражается в улучшении энергетического спектра пучка и улучшении распределения тока по сечению пучка. Кроме того, увеличивается в

20 раз ресурс работы катода. 1 ил ° пения низкоэнергетичного потока элек- 4 Ь тронов, следуюпП х за основным импуль- ( сом, а также повышение ресурса источ- 1, ) ника.

Поставленная цель до"тигается в предлагаемом импульсном источнике а электронов со взрывной эмиссией, :включающем формирователь импульсного высоковольтного напряжения и вакуумный диод. В диоде анод выполнен из плоской фольги и перекрывает выходное отверстие. Катод имеет форму стержня и обращен торцом к плоскости

1596400 анода. Стержень катода изготовлен из вилита, а держатель выполнен с возможностью изменения рабочей длины стержня без изменения величины анодкатодного промежутка (d „).

A

Рабочая длина стержня 1 соответствует соотношению ам ке (см) 10 где Б ак, - наибольшая из величин напряжений предимпульса и послеимпульса (КВ) .

Стержень катода иэ вилита остается диэлектриком при напряжении меньшем или равном П„„ „, . Следовательно, напряжение предимпульса меньшее, чем

П „, не создает ток проводимости макс в стержне катода и не приводит к образованию. электронов предимпульса.

После прохождения основного импульса тока через стержень катода и появления напряжения послеимпульса меньшего, чем П „, диэлектрические свойс- Q5 тва вилита восстанавливаются и стержень катода снова становится изолятором.

Следовательно, напряжение послеимпульса не создает тока проводимости через стержень катода и не приводит к прохождению тока через анод-катодный промежуток. Таким образом, подбор длины 1 стержня вилитового катода в соответствии с выражением (1) обеспечивает эффективное подавление как предимпульса, так и послеимпульса электронного тока в диоде сильноточного ускорителя. Поскольку отсутствуют низкоэнергетичные компо.ненты„ качество. сильноточного РЭП

40 повышается. При этом анодная фольга не прожигается при каждом импульсе.

Удается получить около 25 импульсов сильноточного РЭП без замены анодной фольги, что повышает ресурс

45 источника.

Конкретную длину 1 рабочей части катода, благодаря отличительным осо. бенностям предлагаемого источника,, 50 ! можно устанавливать для конкретнои величины основного импульса напряже. ния, подаваемого на анод-катодный промежуток, исходя из соотношения

1 0 2 U где U ®„« - MBKcaMBJlb

Маис > мак 5 ное из значений напряжений предимпуль са и послеимпульса. Коэффициент

0,2 см получен эмпирически, иэмерекВ йТе1Гтока предимпульса и послеийпульса в зависимости от длины рабочей части стержня катода и от значений напряжений предимпульса и послеимпульса.

Параметр U „„, по сути может рассматриваться как расчетный. Конструктивный статический параметр — дпина стержня определяется, исходя из расчетного напряжения, которое должно . выдерживать вилитовый стержень, т.е. исходя из напряжения, при котором

его сопротивление должно оставаться бесконечным. Зависимость между величиной пробойного напряжения и длиной стержня из внлита находится из справочных таблиц.

Вместо величины Б „ можно рассматривать такой параметр источника, как энергия электронов на его выходе.

Любое устройство, предназначенное для получения ускоренных заряженных частиц, конструируется, исходя из конкретного значения энергии требуемой энергии частиц Е д. По сути дела, энергия выступает, как "статический" параметр.

Величина E соответствует ускоряюо щему напряжению основного импуЛьса

Up . А максимальное напряжение предимпульса или послеимпульса U „„„„ составляет 2-5Х от напряжения U „ . Исходя из этого соотношения для 1(см) может быть представлено в виде

1 0,01 Е где Š— энергия на выходе источника о в КэВ.

Действительно, 1 Э 0,2 П,как,, U =(0,02-0,05) П, Е =П абе где е — заряд электрона, откуда и следует, что 1= 0,2 0,05 E =0,01 Е

В качестве примера конкретного выполнения рассмотрим сильноточный наносекундный источник электронов со взрывной эмиссией, по сути являющейся диодом импульсного сильноточного ускорителя релятивистских электронов, рассчитанный на рабочий импульс напряжением 1,5 мВ с длительностью 25 нс.

На чертеже представлена схема импульсного источника электронов.

Источник содержит зарядное устройство 1, формирователь 2, разрядную камеру 3, в которую через изолятор

4 введен катодный стержень 5, закрепленный на держателе 6. Торец катода

1596400

5, 5 обращен к выходному отверстию, закрытому анодной фольгой 7. Узел перемотки 8 анодной фольги и прижимной фланец 9 размещены в камере дрейфа 10, где за анодной фольгой 7 находится исследуемый, облучаемый образец 11. Катодный стержень 5 выполнен из вилита. Конструкция держателя

6 позволяет изменять длину 1 рабочей части катодного стержня, выступающую из держателя в разрядную камеру 3 без изменения величины d анод-катодлк ного промежутка. Для этого держатель

6 может быть выполнен, например, из двух стаканов — большего и меньшего, соединенных с помощью резьбы. На дне большего стакана, установленного в изоляторе, неподвижно закреплен один конец стержня 5, а через отверстие в дне меньшего стакана при обеспечении скользящего электрического контакта другой конец стержня 5 выведен в камеру 3.

Перед началом эксплуатации источника устанавливают величину анодкатодного промежутка с/ к (5-15 мм), являющегося ускоряющим зазором. Длину 1 рабочей части стержня 5 устанавливают, вращая меньший стакан держателя 6. Предварительно измерив величины предимпульса и послеимпульса, выбрав из них максимальные значения

U определяют 1 в соответствии . р ыкс с отношением (1.) .

Попере1ный размер стержня 5 катода определяют, исходя из требований на поперечные размеры электронного пучка и предельной пропускной способности вилита. Известно, что для вилитовых дисков диаметром 100 мм и импульса напряжения с фронтами нарастания и спада соответственно 4 и 10 мкс пропускная способность составляет 65 кА. Следует также учитывать величину падения напряжения на катоде U„, которая оценивается, исходя из выражения

1 o(h .U = 157-0 — — . I

4\

Фьде с = 750 Ом А

;7 1 — длина катода, см; с — коэффициент нелинейности

Ъ, (о/ =О, 14-0, 2); .Ф";" I - ток проводимости, A. и редлагаемый импульсный источник работает следующим образом.

При зарядке формирователя 2 от зарядного устройства 1 на держателе

6 катода появляется предимпульсное

5 напряжение, которое прикладывается к ускоряющему зазору / и к стержню дк

5 катода. Поскольку длина стержня 1 катода выбрана в соответствии с выражением (1), а величина напряжения предимпульса меньше U, то стержень вилитового катода остается диэлектриком и ток проводимости через стержень от действия предимпульсного напряжения отсутствует. Взрывная эмиссия на торце катода не образуется, и в ускоряющем зазоре с „„ электроны, обусловленные предимпульсом, отсутствуют. При коммутации зарядного устройства 1 формируется высоковольтный (основной) импульс, который также подводится к держателю 6 катода. Так как амплитуда основного импульса напряжения значительно превышает U макс то под действием напряжения основного импульса происходит пробой внутреннего объема стержня 5 катода и ускоряющее напряжение прикладывается к зазору d „. Под действием сверхвысокого напряжения с отрицательной полярностью на катоде имеет место вначале импульса автоэлектронная, а затем и взрывная эмиссия электронов.

Электроны ускоряются в промежутке

/1„ проходят через анодную фольгу 7 и попадают на исследуемый образец 11.

После завершения действия основного импульса напряжения, вследствие неполной передачи энергии от накопительных устройств к диоду, имеет место передачи в диод остаточной энергии при напряжении послеимпульса.

Так как величина напряжения послеимпульса меньше U „,„, диэлектрические свойства вилита восстанавливаются и стержень 5 катода снова становится изолятором. В этом случае напряжение послеимпульса и ток. проводимости в зазоре резко уменьшаются, а плазма, образовавшаяся в зазоре между катодом и анодной фольгой при формировании основного импульса электронного тока, распадается. Следовательно, отсутствие тока, проходящего через плазму в послеимпульсе, не при55 водит к прожиганию анодной фольги 7, что и дает повышение ресурса работы источника без смены анодной фольги.

Напряжение рабочего импульса составляет 1, 5 мВ при длительности 25 нс .

1596400 . ления тока по сечению пучка (увеличивается ток вдоль оси диода) . роме того, увеличивается ресурс работы источника — анодная фольга выдерживает 20 импульсов тока. Укаэанные преимущества достигаются за счет подавления электронного тока послеимпульса и за счет возможности выбора минимального анод-катодного промежутка.

Составитель Н.Чубук

Техред М. Ходанич Корректор T.Èàëåö

Редактор И.Сегляник

Заказ 2914 Тираж 402 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r.Óæãîðîä., ул. Гагарина,101

Измеренное напряжение предимпульса

H послеимпульса соответственно сос" тавляет 40 и 28 кВ. Длина катодного стержня из вилита установлена равной

90 мм при величине анод-катодного

5 ускоряющего промежутка Х, =10 мм.

Количество импульсов, ускоренных электронов без смены анодной фольги составляет от 18 до 25. После этого величина сР> была уменьшена до 7 мм при сохранейии остальных параметров источника. Это привело к увеличению тока электронов, проходящего через анодную фольгу. При этом качество ускоряемого электронного пучка по равномерности плотности стало заметно лучше. Однако, анодная фольга выдерживала без разрушения примерно

15 импульсов. Отметим, что ранее, при использовании катодного стержня из графита или из стекла анодную фольгу приходилось менять, практически после каждого импульса.

Технико-экономические преимущест- 25 ва предлагаемого источника электронов в сравнении с известным устройством, заключаются,,прежде всего, в том, что значительно повышается качество пучка электронов, которое выражается в улучшении энергетического спектра пучка и улучшении распредеФормула изобретения

Импульсный источник электронов со взрывной эмиссией, включающий формирователь импульсного высоковольтного напряжения и вакуумный диод с анодом в виде фольги, перекрывающей выходное отверстие, и размещенный в нем на держателе катод в форме стержня, торцом обращенный к аноду, о т л и ч а ю.шийся тем, что, с целью повышения качества пучка электронов за счет подавления ниэкоэнергетического электронного потока, следующего за основным импульсом, и повышения ресурса источника, стержень катода изготовлен из вилита, а его держатель выполнен с возможностью изменения рабочей длины стержня беэ изменения величины анод-катодного промежутка.