Плазменный источник электронов с пучком большого сечения

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ПЛАЗМЕННЫЙ ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРОНОВ С ПУЧКОМ БОЛЬШОГО СЕЧЕНИЯ(71) Заявитель Полоцкий государственный университет(73) Патентообладатель Полоцкий государственный университет(57) Плазменный источник электронов с пучком большого сечения, включающий размещенные соосно два катода, анод, формирователь-расширитель, эмиттерный сеточный электрод, размещенный внизу расширителя, ускоряющий электрод и постоянные магниты, отличающийся тем, что эмиттерный электрод выполнен в виде двух эквипотенциальных сеток с расстоянием между ними, равным 0,8-2 размера ячейки сетки.(56) 1. Мытников А.В., Окс Е.М., Чагин А.А. Источник электронов с плазменным катодом для генерации пучков в форвакуумном диапазоне давлений // ПТЭ. - 1998. - 2. - С. 95-98. 2. Электронная пушка непрерывного действия с плазменным катодом большой площади / Ю.Е. Крейндель, В.Я. Мартенс, В.Я. Съедин, С.В. Гавринцев // ПТЭ. - 1982. -4. - С. 178-180 (прототип). 3. Груздев В.А., Залесский В. Г. Эволюция вторичной плазмы в ускоряющем промежутке плазменных источников электронов при повышенном давлении // ЖТФ. - 1996. - Т. 66, вып. 7. - С. 46-55. Полезная модель относится к области техники получения электронных пучков и может быть использована для реализации электронно-лучевых технологий модификации и упрочнения поверхностей материалов. 469 Известен плазменный источник электронов 1, содержащий разрядную камеру, образуемую медным полым катодом и плоским полым анодом с семью эмиссионными отверстиями (перфорированный электрод) или одним центральным эмиссионным отверстием, перекрытым мелкоструктурной металлической сеткой, а также ускоряющий электрод с отверстием. Формирование электронного пучка достигается извлечением электронов через эмиссионное отверстие в аноде подачей ускоряющего напряжения между анодом и ускоряющим электродом. Недостатком известного источника является неравномерность радиального распределения плотности электронного тока по сечению пучка и ограниченное (8 кэВ) значение энергии электронов в пучке. Наиболее близким к заявляемой конструкции плазменного источника электронов с пучком большого сечения является источник 2. Основными элементами источника такого типа являются газоразрядная камера,образованная полым катодом и катодом-отражателем, размещенными соосно, цилиндрическим медным анодом и постоянным магнитом, а также формирователь - расширитель плазмы - с эмиттерным электродом в виде стальной сетки и ускоряющий электрод. Формирование электронного пучка большого сечения с энергией до 15 кэВ и стабилизация эмиссионного тока достигается применением сеточного эмиттерного электрода, расположенного внизу в торце формирователя-расширителя. Основным недостатком данного источника является ограничение энергии электронов в пучке (до 15 кэВ),что обусловлено нарушением условий эмиссии вследствие возмущения плазмы газового разряда полем ускоряющего электрода. Основной задачей полезной модели является генерация электронных пучков большого сечения технологического назначения со стабильными электрофизическими параметрами и энергией электронов в пучке до 25 кэВ в тяжелых вакуумных условиях при повышенных рабочих давлениях (до 10-2 мм рт. ст.) с равномерным по сечению распределением плотности тока электронного пучка. Поставленная задача решается тем, что в заявляемом плазменном источнике электронов с пучком большого сечения, состоящем из газоразрядной камеры, которая включает в себя два катода, анод и постоянные магниты,и из формирователя-расширителя с эмиттерным сеточным электродом, в отличие от прототипа эмиттерный электрод выполнен в виде двух эквипотенциальных сеток с расстоянием между ними, равным 0,8-2 размера ячейки сетки, т.е. в источнике применена новая двухсеточная схема стабилизации эмитирующей плазменной поверхности. На фигуре представлен заявляемый плазменный источник электронов с пучком большого сечения в разрезе. Плазменный источник электронов с пучком большого сечения включает размещенные в корпусе 1 и закрепленные в нем через изолятор 2 внешний 3 и внутренний 4 катоды, размещенные соосно, анод 5 с кольцевой рабочей поверхностью, размещенной в верхней части газоразрядной структуры, формировательрасширитель 6 в виде полого цилиндра, в дне которого закреплен эмиттерный электрод, выполненный из двух сеток 7, 8, расположенных на расстоянии, равном 0,8-2 размера ячейки сетки, и ускоряющий электрод 10. Постоянные магниты 9 расположены в теле анода 5. Работает заявляемый плазменный источник следующим образом. При подаче напряжениямежду катодами 3, 4 и анодом 5 в межкатодном промежутке газоразрядной структуры зажигается газовый разряд в скрещенных ЕН полях, плазма которого диффундирует в формирователь-расширитель 6, находящийся под анодным потенциалом. В результате формируется эмитирующая плазма во всем объеме формирователя-расширителя. Эмиссия электронов из плазмы происходит через сеточный эмиттерньй электрод, состоящий из сеток 7, 8, при подаче ускоряющего напряжениямежду эмиттерным и ускоряющим электродом 10, в качестве которого для повышения эффективности источника используется плоский электрод - поверхность обрабатываемой детали. Проблема стабилизации параметров источника, в частности достижения высокой эффективности извлечения электронов из плазмы в диапазоне ускоряющих напряжений и рабочих давлений решается использованием в конструкции двухсеточного эмиттерного электрода. Суть данного метода состоит в создании пространства дрейфа между эквипотенциальными сетками. Первая сетка 7, расположенная со стороны плазмы,стабилизирует эмитирующую плазменную поверхность. Вторая сетка 8, расположенная со стороны ускоряющего промежутка, ослабляет влияние поля ускоряющего электрода на параметры эмитирующей плазмы. Экспериментально установлено, что расстояние между сетками должно быть в пределах 0,8-2 размера ячейки сетки. При расстоянии менее 0,8 размера ячейки происходит сильное возмущение плазмы полем ускоряющего электрода, а при расстоянии более 2 размеров ячейки значительно снижается эффективность извлечения электронов из плазмы. Таким образом, при соблюдении указанных условий достигается высокое значение эффективности извлечения, поскольку применение двухсеточной стабилизации в данном источнике допускает использование сеточных электродов большой прозрачности. При этом обеспечиваются условия, препятствующие сильному возмущению эмитирующей плазмы даже при значительной величине напряженности ускоряющего поля за счет образования при повышенных давлениях вторичной плазмы (виртуального анода) у 2 469 ускоряющего электрода 3 и вследствие этого радикального уменьшения эффективной протяженности ускоряющего промежутка. Данный метод позволяет при повышенных рабочих давлениях до 10-2 мм рт. ст. расширить диапазон ускоряющих напряжений до 25 кВ. Таким образом, наличие двухсеточного эмиттерного электрода позволяет достичь высокой эффективности извлечения электронов из плазмы газового разряда при снижении степени возмущения эмитирующей плазмы отбором из нее электронов в широком диапазоне рабочих давлений и ускоряющих напряжений при сохранении стабильных параметров электронного пучка. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.