Газорозрядна електронна пушка

Изобретение относится к области разрядных приборов с устройствами для ввода объектов или материалов, подлежащих воздействию разряда, например с целью их исследования или обработки, а конкретно - к газоразрядным электронным пушкам, и может найти применение в конструкциях газо-разрядных источников электронов, используемых в основном, для электроннолучевой сварки, плавки, испарения, размерной обработки, пайки, отжига и других те хнологических целей, а также для возбуждения газовых сред. Известен газоразрядный источник электронов для технологических целей [Авт.св. СССР № 94991, кл. Н 01 J 37/06]. который содержит холодный катод, разделительный высоковольтный изолятор, анодный узел с конусным перфорированным электродом, переходящим в лучевод, на котором размещены магнитные фокусирующие линзы. Конструкция анодного узла с лучеводом учитывает лишь электроннооптические и газодинамические свойства источника электронов и служит для вывода электронного пучка в технологическую камеру и откачки газа. Предложен усовершенствованный анодный узел [Авт.св. СССР № 550100, кл. Н 01 J 37/06], включающий замкнутую тороидальную полость, в которую подается рабочий газ, и управляемый разделитель газового потока, поступающего из технологической камеры. В нем конструкция анодного узла также учитывает лишь электроннооптические и газодинамические свойства источника электронов. Недостатком известных конструкций источников электронов является сравнительно малая газовая экономичность, что связано с низкой эффективностью электромагнитного взаимодействия электронного пучка с прианодной плазмой. Конструкция электродной системы анода и лучевода эффективно не используется для ионизации газа в анодной области при пучково-плазменном взаимодействии электронов луча с плазмой. Коэффициент трансформации энергии пучка в энергию плазменных электронов в таких системах составляет менее 1%, что приводит к необходимости значительного повышения давления газа в источнике. Условия взаимодействия не управляемы и не оптимизированы. Наиболее близкой к заявляемому объекту по технической сущности является конструкция газоразрядной электронной пушки [Авт.св. СССР № 1797398, кл. Н 01 J 37/077], которая нами выбрана в качестве прототипа. Известная газоразрядная электронная пушка содержит катодный узел, разделительный высоковольтный изолятор, анодный узел с ', конусным электродом, лучеводом и магнитной линзой. Анодный узел включает также перестраиваемый полый резонатор, расположенный в области катодного падения потенциала на входе газоразрядной электронной пушки. Введение перестраиваемого резонатора, в котором можно менять параметры переменного электрического поля на входе газоразрядной электронной пушки путем изменения собственной частоты резонатора и его добротности, позволяет повысить энергетическую эффективность пушки высоковольтного тлеющего разряда, используя, например, резонансный режим разряда. При использовании цепи обратной связи для управления резонатором происходит эффективное управление выходными параметрами пушки и повышение стабильности ее работы. Однако, конструкция перестраиваемого резонатора, конусного анода и лучевода, как и в аналогах, не учитывает условий пучковоплазменного взаимодействия электронного луча с прианодной плазмой, заполняющей анод и лучевод. Поэтому прототип обладает указанными выше недостатками известных систем - имеет сравнительно малую эффективность электромагнитного взаимодействия пучка электронов с прианодной плазмой, которое не управляемо. Это уменьшает газовую эффективность и функциональные возможности газоразрядной электронной пушки. В основу изобретения поставлена задачу усовершенствования газоразрядной электронной пушки путем введения элементов для повышения эффективности взаимодействия электронов пучка с прианодной плазмой и управления этим взаимодействием. Это увеличивает газовую эффективность и расширяет функциональные возможности газоразрядной электронной пушки. Поставленная задача достигается тем, что в газоразрядной электронной пушке, содержащей катодный узел, разделительный высоковольтный изолятор и анодный узел, включающий перестраиваемый полый резонатор, конусный анод и лучевод с магнитной фокусирующей системой, лучевод выполнен в виде широкополосной распределенной пучково-плазменной электромагнитной системы, например в виде цепочки магнитосвя-занных резонаторов, на выходе которой введен элемент связи, включенный в систему управления. Это увеличивает эффективность взаимодействия электронного пучка с плазмой, что повышает газовую эффективность и функциональные возможности газоразрядной электронной пушки. На чертеже изображен общий вид одного из возможных вариантов-предложенной газоразрядной электронной пушки, которая включает катодный узел 1, содержащий катодный электрод 2 с холодным катодом 3 и патрубок подачи охлаждающей жидкости 4. Катодный узел 1 через высоковольтный разделительный изолятор 5 соединен с анодным узлом 6, который содержит прикатодный электрод 7, перестраиваемый полый резонатор 8, конусный анод 9 с патрубками для подачи 10 и отвода 11 охлаждающей жидкости, лучевод 12. Лучевод 12 охвачен магнитной пушкой 13, на выходе лучевода расположен волноводный тракт 14 и магнитная фокусирующая система 15. Источник электронов подсоедимен к технологической камере 16. Резонаторная секция 8 содержит коаксиальный ввод 17. В резонаторную секцию через натекатель 18 подается микропоток газа. На чертеже также изображены прианодная плазма 19 и электронный пучок 20, которые образуются при работе газоразрядной электронной пушки. Газоразрядная электронная пушка работает следующим образом. В промежутке между катодным узлом 1 и анодным узлом 6 с помощью вакуумного насоса (на чертеже не показан), откачивающего газ через лучевод 12, и с помощью натекателя газа 18 получают рабочее давление газа 1-10 Па. Между катодным 1 и анодным 6 узлами прикладывают ускоряющее напряжение 10-30 кВ. В промежутке между катодным узлом 1 и анодным узлом 6 зажигается высоковольтный тлеющий разряд, образуется прианодная плазма 19, ионы которой, бомбардируя холодный катод 3, выбивают с его поверхности электроны, формируемые электродной системой и фокусирующей катушкой 15 в электронный луч 20, направляемый через лучевод 12 в технологическую камеру 16. Взаимодействие быстрых электронов пучка, формируемого катодом 3, с прианодной плазмой 19 происходит в широком диапазоне частот. Наиболее эффективно оно на собственной частоте прианодной плазмы, зависящей, в основном, от ее макроструктуры (единицы -десятки мегагерц) и на электронной или ионной плазменной частоте, зависящей от концентрации заряженных частиц плазмы (сотни - тысячи мегагерц). Выполнение лучевода в виде широкополосной распределенной пучково-плазменной электромагнитной системы позволяет повысить на порядок эффективность взаимодействия электронного пучка с плазмой. Усиленный выходной сигнал снимается через волноводный вывод 14 и по цепи обратной связи (на чертеже не показана) подается с помощью коаксиального ввода 17 в, резонаторную секцию 8. На чертеже представлен вариант широкополосной распределенной пучково-плазменной электромагнитной системы 12 в виде цепочки магнитосвязанных резонаторов. Преимуществами использования такой системы являются то, что в ней образуются электромагнитноплазменные (гибридные) поля, с разделением в поперечном направлении продольной и радиальной компоненты электромагнитного поля, что в свою очередь приводит к перераспределению потока энергии в область магнитных щелей связи вне плазменного волновода. При этом сохраняется объемный характер волн. Вытеснение потока энергии из объема плазмы приводит к эффекту излучения волн во внешний волновод и уменьшению полости энергии в плазменном волноводе, стабилизируя тем самым развитие нелинейных плазменных процессов и подавляя развитие низкочастотных колебаний в области ионных плазменных резонансов. Такие системы сочетают большой коэффициент связи пучка с возбужденной волной при большом потоке энергии, что облегчает ввод и вывод энергии СВЧ в систему и из системы. Система обла дает такими электродинамическими свойствами, которые позволяют значительно увеличить эффективность возбуждения электромагнитных волн с помощью заряженных частиц, увеличить эффективность ионизации атомов газа плазменными электронами, разогретыми в СВЧ-поле электромагнитной волны. СВЧ-сигнал колебательной системы несет информацию о параметрах плазмы, электронного пучка и условиях и х взаимодействия, поэтому он использован в цепях управления для регулирования основных параметров газоразрядной электронной пушки, например, путем управления потоком газа или интенсивностью колебаний в отдельных частях системы. Используя отдельный генератор электромагнитных колебаний и подавая его сигнал на колебательную систему, можно управлять пучково-плазменным взаимодействием, и тем самым, выходными параметрами газоразрядной электронной пушки. Преимущество изобретения заключаются в повышении эффективности ионизации атомов газа разогретыми плазменными электронами. Это повышает газовую экономичность газоразрядной электронной пушки, что позволяет снизить рабочее давление газа на 1-2 порядка использовать откачные устройства малой производительности. Интенсивность взаимодействия электронного потока с колебательной системой регулируется и ограничена сверху допустимым разбросом по скоростям электронов пучка, что определяется конкретными требованиями к выходным параметрам источника электронов, т.е. областью его использования. Реализация предлагаемой конструкции газоразрядной электронной пушки дает возможность осуществить эффективное электрическое управление ее основными параметрами, что расширяет ее функциональные возможности.