Плазменный источник электронов

(12) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ(71) Заявитель Полоцкий государственный университет(73) Патентообладатель Полоцкий государственный университет(57) Плазменный источник электронов, включающий размещенные по одной оси два катода, главный анод и ускоряющий электрод, а также эмиссионный канал и постоянные магниты, отличающийся тем, что катоды и главный анод размещены соосно, противостоящие рабочие поверхности катодов выполнены коническими с сужением зазора между ними, кроме того он снабжен вспомогательным анодом, размещенным под внешним катодом, причем эмиссионный канал выполнен во вспомогательном аноде.(56) 1. .с. СССР 456322, МПК 01 3/04, 1974. 2. Белюк С.И., Мартюшев В.Г., Осипов И.В., Ремпе Н.Г. Управление эффективностью эмиссии электронных источников с плазменным эмиттером. Сб. Плазменная эмиссионная электроника, 1-го Всесоюзного совещания по плазменной эмиссионной электронике. - Улан-Удэ. - 1991 - С. 36-39 (прототип). Полезная модель относится к области техники получения электронных пучков и может быть использована в электронно-лучевых технологических установках. Известен газоразрядный (плазменный) источник электронов 1, содержащий размещенные по одной оси полый катод, электрически соединенный и противостоящий ему катод-отражатель с эмиссионным каналом и цилиндрический анод, расположенный между полым катодом и катодом-отражателем. Постоянные магниты в этом источнике обеспечивают магнитное поле с индукцией, параллельной оси симметрии электродов, катодной полости, оси эмиссионного канала и, следовательно, направлению движения плазменных электронов из катодной полости в промежуток ускорения между катодом-отражателем и извлекающим высоковольтным электродом (экстрактором). Недостатками известного источника 1 являются следующие. Во-первых, эмиссионный канал выполнен в катоде-отражателе, имеющем отрицательный потенциал относительно эмитирующей плазмы. При этом 220 разность потенциалов между плазмой и катодом-отражателем близка к приложенному к разрядной структуре напряжению горения разряда. В результате этого ионы плазмообразующего газа из плазмы поступают на стенки эмиссионного канала с высокой энергией и приводят к интенсивной эрозии канала и быстрому изменению его геометрических размеров. Это в значительной степени ограничивает ресурс катода-отражателя и источника в целом. Во-вторых, интенсивность ионизационных процессов в полости полого катода значительно превосходит интенсивность ионизации газа в других областях разрядной электродной структуры. Плазменные электроны из катодной полости движутся в эмиссионный канал вдоль вектора индукции магнитного поля. В этих условиях при повышении потенциала (ускоряющего напряжения) извлекающего электрода электронный ток катодной полости уже при сравнительно невысоких напряжениях полностью переключается в эмиссионный канал, а ток полого катода (и в целом разряда) оказывается существенно зависимым от ускоряющего напряжения. Причем чем выше давление газа в источнике, тем значительнее эта зависимость. А так как практически во всех электронно-лучевых технологиях важным параметром источника электронов является стабильность тока электронного пучка и в то же время электронно-лучевое воздействие на материалы обычно сопровождается неконтролируемым газоотделением (повышением давления), существенная зависимость тока электронного пучка известного плазменного источника электронов 1 от давления в значительной степени ограничивает максимально допустимое рабочее давление источника и,следовательно, возможности его технологического применения. Наиболее близким к заявляемой конструкции источника является плазменный источник электронов 2,содержащий размещенные по одной оси полый катодпротивостоящий ему катод-отражатель, электрически изолированный от полого катода, цилиндрический анод, расположенный между полым катодом и катодомотражателем, ускоряющий электрод, размещенный под катодом-отражателем, эмиссионный канал, выполненный в катоде-отражателе,также постоянные магниты. Недостатком этого источника является существенная зависимость тока полого катода (тока разряда) от потенциала ускоряющего электрода (ускоряющего напряжения), которая возникает при сравнительно невысоких ускоряющих напряжениях и усугубляется с повышением давления. Основной задачей полезной модели является расширение диапазона рабочих давлений, в котором параметры электронного пучка остаются устойчивыми, в область повышенных значений и тем самым значительное увеличение области технологического применения источника. Поставленная задача решается тем, что в плазменном источнике электронов, включающем размещенные по одной оси два катода, главный анод и ускоряющий электрод, а также эмиссионный канал и постоянные магниты, в отличие от прототипа катоды и главный анод размещены соосно, противостоящие рабочие поверхности катодов выполнены коническими с сужением зазора между ними, кроме того, он дополнительно снабжен вспомогательным анодом, размещенным под внешним катодом, причем эмиссионный канал выполнен во вспомогательном аноде. В заявляемом источнике применена новая структура разрядной камеры, в которой формируется эмитирующая плазма. На рисунке представлен заявляемый плазменный источник электронов в разрезе. Плазменный источник электронов включает размещенные в корпусе 1 и закрепленные к нему через изолятор 2 соосно внешний 3 и внутренний 4 катоды с коническими внешними поверхностями, главный анод 5,соосный катодам 3 и 4, с рабочей поверхностью в виде плоского кольца, лежащей в верхней части разрядной системы между катодами в плоскости, перпендикулярной оси симметрии электродной структуры, вспомогательный анод 6 в виде плоского диска с эмиссионным каналом 7, размещенный под внешним катодом 3. Постоянные магниты 8 установлены в теле главного анода (медь) так, что обеспечивают индукцию магнитного поля, направленную перпендикулярно к рабочим поверхностям катодов 3, 4 и вспомогательного анода 6 и параллельно относительно рабочей поверхности главного анода 5. Кроме этого, источник включает установленные в корпусе 1 по одной оси со всеми электродами ускоряющий электрод (экстрактор) 9, размещенный под вспомогательным анодом 6, и закрепленную к нему систему фокусировки пучка (магнитная линза) 10. Работает заявляемый плазменный источник электронов следующим образом. При подаче напряжения между катодами 3, 4 и анодами 5, 6 в межкатодном пространстве зажигается разряд в скрещенных ЕхН полях и формируется эмитирующая плазма. Извлечение электронов из плазмы происходит через эмиссионный канал 7 при подаче ускоряющего напряжения между вспомогательным анодом 6 и ускоряющим электродом 9 (экстрактором). Эмиссионный канал выполнен во вспомогательном аноде 6, потенциал которого незначительно отличается от потенциала плазмы. Тем самым решается задача повышения ресурса эмиссионного канала при бомбардировке его ионами плазмообразующегося газа. Магнитное поле в цилиндрической области между эмиссионным каналом 7 и торцом внутреннего катода 4 имеет преимущественно продольную извлечению (оси канала) компоненту вектора магнитной индукции. Подвижность электронов в этой области в направлении извлечения велика и электронный ток из этой области легко переключается в пучок, формируя начальный ток эмиссии. Дополнительное извлечение электронов с увеличением ускоряющего напряжения и/или давления возможно только из остальной области разряда с поперечным направлению извлечения магнитным полем (вне цилиндрической области). Вследствие малой 2 220 подвижности электронов поперек магнитного поля переключение электронного тока из этой области затруднено. Подбором диаметра эмиссионного канала и расстояния между вспомогательным анодом 6 и торцом внутреннего катода 4 можно регулировать (обеспечивать) начальный ток эмиссии. При повышении давления газа в источнике возрастает интенсивность ионизации газа в электронном пучке. Ионы, возникающие в пучке, из ускоряющего промежутка через эмиссионный канал 7 поступают в газоразрядную камеру. Если в аналоге 1 и прототипе 2 ионы поступают непосредственно в эмитирующую плазму, вызывая ее возмущение (повышение тока разряда и степени переключения), то в предлагаемом источнике ионы поглощаются конической поверхностью внутреннего катода 4 и не попадают в эмитирующую плазму. Тем самым также снижается степень возмущения эмитирующей плазмы при повышении рабочего давления и повышается стабильность эмиссионного тока. Таким образом, ограничение подвижности части плазменных электронов и снижение степени возмущения эмитирующей плазмы при отборе электронов потоком ионов из промежутка позволяет существенно расширить диапазон рабочих давлений источника, при которых параметры электронного пучка остаются устойчивыми. Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.