Генерирование импульсных пучков большого сечения в электронных источниках с сетчатым плазменным эмиттером

• Автор: Коваль, Николай Николаевич
• Шифр специальности: 01.04.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1984
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 185 c. : ил

Для осуществления многих радиационно-химических процессов, электронно-лучевой пайки, термической обработки материалов, нанесения металлических покрытий, стерилизации пищевых продуктов, обеззараживания сточных вод и других целей эффективно используется облучение электронами больших поверхностей [1,2]. Облучение электронами значительных газовых объемов используется для возбуждения мощных электроионизационных лазеров и интенсификации плазмохимических процессов [3,4]. Применение для этих целей электронных пучков большого поперечного сечения (ПБС) в некоторых случаях является единственно возможным (возбуждение лазеров), а в большинстве случаев предпочтительным по сравнению с узкими пучками, сканируемыми по большой площади [2,1], техника получения которых в настоящее время уже достаточно хорошо отработана.
ПБС можно определить как электронные потоки, в которых тепловые скорости электронов не оказывают существенного влияния на распределение плотности тока по их сечению [б]. Этим ПБС отличаются от пучков с малым сечением, в которых даже при равномерной эмиссии с катода максвелловское распределение тепловых скоростей электронов приводит к гаусеовому распределению плотности тока в поперечном сечении пучка. Характер распределения плотности тока по сечению ПБС определяется в основном распределением плотности эмиссионного тока и конфигурацией электрического поля в ускоряющем промежутке, а влияние на него тепловых скоростей электронов может проявляться лишь пр краям пучка.
Получение ПБС связано с созданием в электрофизических установках ранее не использовавшейся совокупности условий, а именно сочетания высоких ускоряющих напряжений, диодных промежутков значительной длины, разделяющих электроды больших размеров, между которыми протекают интенсивные электронные потоки, постоянной вакуумной откачки и выполнением ранее не предъявлявшихся к электронно-лучевым системам требований, в частности, в отношении углов расходимости ускоренных электронов и равномерности распределения плотности тока по сечению пучка. Использование ПБС в болыпистве случаев требует вывода пучка из вакуумной камеры в атмосферу, где находится облучаемый объект. Вывод электронов осуществляется через фольговое выпускное окно, которое является сложным и в настоящее время наименее надежным узлом электронных источников, генерирующих ПБС.
Формирование ПБС можно осуществлять за счет расширения вначале узкого пучка, с помощью традиционной рассеивающей электронной оптики, либо при использовании эмиттирующей поверхности по размерам и форме близкой к необходимому сечению пучка. При использовании первого способа электроны попадают на фольгу выпускного окна под значительными углами, что приводит к увеличению потерь электронов в фольге и трудностям в достижении равномерного распределения плотности тока по сечению ПБС. Второй способ предпочтительнее так как предполагает использование простейшей ускоряющей системы и позволяет получить ПБС сложной формы с малой расходимостью.
Физика и техника получения ПБС начали развиваться одновременно на основе эмиттеров различных типов: термокатодов, взрывоэмиссионных (ВЭ) катодов и эмиттеров на основе газовых разрядов. Системы, в которых существенную роль играет плазма, в соответствии с классификацией [б] можно, рассматривать как плазменные источники электронов (ПИЭЛ). ПИЭЛ для генерирования ПБС по сравнению с источниками на основе термокатодов имеют ряд важных преимуществ:

- благодаря более высоким эмиссионным свойствам плазмы обеспечива-

ют пучки с более высокой плотностью тока;

- обладают высокой энергетической эффективностью, под которой понимается отношение тока электронной эмиссии к мощности, затраченной на его получение;

- имеют малое~10 с время готовности, которое определяется временем зажигания разряда и обеспечивают импульсную эмиссию при использовании импульсного разряда;
- способны работать в тяжелых вакуумных условиях при наличии интенсивной ионной бомбардировки, малочуствительны к загрязнениям и разгерметизациям вакуумной системы;
- обычно более просты по конструкции, отличаются надежностью и долговечностью.
Наиболее полно преимущества ПИЭЛ проявляются при генерировании им-

пульсных ПБС. Для генерирования ПБС с малой <10 с длительностью

и большой >10 А/см плотностью тока пучка используются ПИЭЛ на основе взрывоэмиссионных (ВЭ) катодов, которые в этом диапазоне длительностей и плотностей тока в настоящее время находятся практически вне конкуренции.

Задачу получения ПБС с длительностью импульса тока >10 с в ряде случаев наиболее целесообразно можно решить используя эмиссию электронов из плазмы газовых разрядов низкого давления. Применение газоразрядной техники открывает широкие возможности для построения различных схем электронных источников ПБС, в которых плазма выполняет разные функции. Ряд типовых схем показан на рис.1. На рис.1а приведена схема ПИЭЛ с самостоятельным высоковольтным тлеющим разрядом (ВТР), напряжение горения которого соответствует требуемой энергии электронов. В таких источниках электроны эмиттируют-ся холодным катодом под действием бомбардировки его поверхности вы-сокоэнергетичными ионами и нейтралами. Ионы поступают на катод из прианодной плазмы ВТР после ускорения в прикатодном слое, а высоко-

Рис.2.2. Конструкция газоразрядной камеры.
I - катоды; 2 - магнитопроводы; 3 - промежуточный электрод; 4 - ферромагнитная вставка с каналом контрагирования; 5 - дополнительный электрод; б - анод; 7 - магниты; 8 - изолятор.