Газорозрядне джерело електронів з вторинно-емісійним катодом

Реферат: Газорозрядне джерело електронів з вторинно-емісійним катодом містить вторинно-емісійний катод, що розміщений в порожнині корпуса-анода, вузол напуску робочого газу в порожнину корпуса-анода та керуючий електрод, який розміщений в порожнині корпуса-анода навпроти катода і підключений до генератора керуючих імпульсів. Керуючий електрод виконаний у вигляді індуктора, а генератор керуючих імпульсів виконаний у вигляді генератора імпульсів високочастотної напруги. UA 101990 U (54) ГАЗОРОЗРЯДНЕ ДЖЕРЕЛО ЕЛЕКТРОНІВ З ВТОРИННО-ЕМІСІЙНИМ КАТОДОМ UA 101990 U UA 101990 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до електронно-променевої технології і може бути використана для отримання променя прискорених електронів для термічної та радіаційно-хімічної електронної обробки матеріалів. Відоме газорозрядне джерело електронів з вторинно-емісійним катодом, яке містить вторинно-емісійний катод, що розміщений в порожнині корпуса-анода, та вузол напуску робочого газу в порожнину корпуса-анода. Дане джерело генерує промінь електронів за рахунок вторинної емісії катода при його бомбардуванні іонами з прианодної плазми високовольтного тліючого газового розряду, який запалюють між катодом та корпусом-анодом. Прискорення електронів здійснюється за рахунок напруги на прошарку просторового заряду біля катода [1, с. 138-139]. Недоліком відомого газорозрядного джерела електронів є значна тривалість (~ 500 мкс) фронтів імпульсів струму променя прискорених електронів, яку спричиняє значна інерція розвитку та деіонізації високовольтного тліючого газового розряду при використані джерела електронів в імпульсному режимі. При цьому час розвитку розряду обумовлює тривалість переднього фронту імпульсів, а час деіонізації - тривалість заднього фронту імпульсів. Найближчим аналогом є газорозрядне джерело електронів з вторинно-емісійним катодом, яке містить вторинно-емісійний катод, що розміщений в порожнині корпуса-анода, вузол напуску робочого газу в порожнину корпуса-анода та керуючий електрод кільцевої форми, який розміщений в порожнині корпуса-анода навпроти катода і підключений до генератора керуючих імпульсів напруги позитивної полярності. В даному джерелі електронів іони з плазми керуючого розряду бомбардують катод і спричиняють його вторинну електронну емісію. Прискорення електронів здійснюється за рахунок напруги між вторинно-емісійним катодом та плазмою керуючого розряду [2, с. 53]. Недоліком даного джерела електронів є підвищена тривалість (~ 100 мкс) фронтів імпульсів струму променя прискорених електронів. Це обумовлено інерцією розвитку та деіонізації імпульсного тліючого газового розряду між керуючим електродом та корпусом-анодом (який є катодом для керуючого розряду). Причина цього полягає в невисокій ефективності іонізації газу низького тиску електронами в керуючому розряді з прямими, тобто короткими, довжинами траєкторій електронів. Підвищення тиску робочого газу (з 0,2 до 0,7 Па) в порожнині корпусуанода зменшує тривалість переднього фронту імпульсів до десятків мікросекунд, але пропорційно затримується деіонізація плазми і збільшується тривалість заднього фронту імпульсів. В результаті дане джерело електронів з вторинно-емісійним катодом неможливо застосувати для отримання коротких (до 10 мкс) імпульсів струму променя прискорених електронів, які потрібні для реалізації багатьох електронно-променевих технологічних процесів (короткоімпульсної термічної обробки та зварювання, нерівноважних радіаційно-хімічних процесів, накачки газових лазерів та ін.). В основу корисної моделі поставлено задачу удосконалення газорозрядного джерела електронів з вторинно-емісійним катодом шляхом зниження тривалості фронтів імпульсів струму променя прискорених електронів і тиску робочого газу. Поставлена задача вирішується тим, що в газорозрядному джерелі електронів з вторинноемісійним катодом, яке містить вторинно-емісійний катод, що розміщений в порожнині корпусаанода, вузол напуску робочого газу в порожнину корпуса-анода та керуючий електрод, який розміщений в порожнині корпуса-анода навпроти катода і підключений до генератора керуючих імпульсів, згідно з корисною моделлю, керуючий електрод виконаний у вигляді індуктора, а генератор керуючих імпульсів виконаний у вигляді генератора імпульсів високочастотної напруги. Згідно з корисною моделлю, газорозрядне джерело електронів з вторинно-емісійним катодом додатково містить кільцевій постійний магніт, який розташовано коаксіально до керуючого електрода. На кресленні наведена схема газорозрядного джерела електронів з вторинно-емісійним катодом. Газорозрядне джерело електронів з вторинно-емісійним катодом містить вторинно-емісійний катод 1, який виконаний з металу або металокераміки і розміщений в порожнині корпуса-анода 2. Вторинно-емісійний катод 1 може бути оснащений водяним охолодженням (не показано на кресл.). Корпус-анод 2 містить з одного боку ізолятор 3 для закріплення вторинно-емісійного катода 1, а з другого боку - вихідний канал 4 для виходу електронного променя 5. Відкритий торець вихідного каналу 4 з'єднують з системою відкачки газу (не показана на кресл.). Також є вузол напуску робочого газу 6 в порожнину корпуса-анода 2. Керуючий електрод 7 розміщений в порожнині корпуса-анода 2 навпроти вторинно-емісійного катода 1 з боку вихідного каналу 4 і виконаний у вигляді індуктора. Індуктор має від 3 до 20 витків з металевої трубки, через яку 1 UA 101990 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 може пропускатися вода для охолодження. Керуючий електрод 7 (індуктор) підключений до генератора керуючих імпульсів 8, який виконано у вигляді генератора імпульсів високочастотної напруги. Крім того, газорозрядне джерело електронів з вторинно-емісійним катодом додатково містить кільцевий постійний магніт 9, який розташовано коаксіально до керуючого електрода 7. Для фокусування електронного променя у вихідному каналі 4 може застосуватися магнітна лінза 10. Газорозрядне джерело електронів з вторинно-емісійним катодом працює таким чином. Газорозрядне джерело електронів з вторинно-емісійним катодом встановлюють на установці електронно-променевої обробки матеріалів таким чином, щоб електронний промінь 5, який емітується вторинно-емісійним катодом 1, потрапляв через вихідний канал 4 в технологічну камеру установки (не показана на кресл.). Джерело електронів відкачують до -3 вакууму з тиском залишкового газу у порожнині корпуса-анода 2 не вище 10 Па. В магнітну лінзу 10 подають струм, котрий здатний фокусувати електронний промінь 5. На вторинноемісійний катод 1 подають негативну напругу (5-30 кВ) відносно заземленого корпуса-анода 2. На керуючий електрод 7 (індуктор) подають імпульси високочастотної напруги (0,1-1 кВ) від генератора керуючих імпульсів 8. Частоту напруги вибирають в діапазоні F=0,01-2450 МГц, тривалість імпульсів високочастотної напруги вибирають в діапазоні τ = 1-1000 мкс. При цьому -1 період високочастотної напруги F повинен бути менше 0,33τ, тобто принаймні три періоди повинні складати імпульс високочастотної напруги. Через вузол напуску робочого газу 6 в порожнину корпуса-анода 2 подають осушений газ потрібного складу (водень, гелій, азот, кисень, повітря або суміш в залежності від виду електронно-променевої обробки). Встановлюють тиск робочого газу (0,05-1 Па), при якому стабільно виникає імпульсний керуючий розряд, а струм електронного променя 5 має задане значення (0,01-100 А). При роботі з низьким тиском робочого газу застосовують кільцевий постійний магніт 9 з індукцією магнітного поля вдовж осі ~ 0,03 Т. Керуючий розряд є високочастотним індукційним розрядом, в якому ефективно і швидко (за 1-2 мкс) генерується плазма робочого газу і передній фронт імпульсу струму електронного променя 5 навіть при дуже низькому тиску робочого газу завдяки довгим траєкторіям електронів в електромагнітному полі керуючого електрода 7 (індуктора). При застосуванні магнітного поля кільцевого постійного магніту 9 виникає більш ефективна форма геликонного розряду. Газорозрядна плазма заповнює об'єм навколо керуючого електрода 7 (індуктора). Позитивні іони з плазми прискорюються полем вторинно-емісійного катода 1, бомбардують його і вибивають вторинні електрони, які в свою чергу прискорюються в сторону плазми і з яких формується електронний промінь 5. Енергія електронів променя 5 (в електрон-вольтах) приблизно рівна величині напруги між вторинно-емісійним катодом 1 і корпусом-анодом 2. Після закінчення імпульсу керуючого розряду його плазма швидко деіонізується за рахунок рекомбінації іонів на стінці корпуса-анода 2 і на поверхні керуючого електрода 7 завдяки підвищеному коефіцієнту дифузії іонів при низькому тиску робочого газу. Це забезпечує зменшення заднього фронту імпульсу струму електронного променя 5 до кількох мікросекунд. Вимикають газорозрядне джерело електронів з вторинно-емісійним катодом в зворотному порядку. Таким чином, запропонована корисна модель забезпечує швидке зростання і спадання струму електронного променя на передньому і задньому фронтах керуючого імпульсу, знижує величину потрібного тиску робочого газу, реалізує ефективну передачу потужності променя в оброблюваний матеріал і знижує розсіювання енергії в самому джерелі, тобто знижує нагрів електродів і збільшує ККД процесу обробки матеріалів при роботі з короткими, мікросекундними, імпульсами електронного променя. Джерела інформації: 1. Завьялов М.А., Крейндель Ю.Е., Новиков А.А., Шантурин Л.П. Плазменные процессы в технологических электронных пушках. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 256 с. 2. Мельник И.В. Оценка времени увеличения тока высоковольтного тлеющего разряда в триодной электродной системе при подаче управляющих импульсов // Известия ВУЗов. Радиоэлектроника. 2013. Т. 56. № 12. С. 51-61. 55 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 60 1. Газорозрядне джерело електронів з вторинно-емісійним катодом, що містить вторинноемісійний катод, що розміщений в порожнині корпуса-анода, вузол напуску робочого газу в порожнину корпуса-анода та керуючий електрод, який розміщений в порожнині корпуса-анода навпроти катода і підключений до генератора керуючих імпульсів, яке відрізняється тим, що 2 UA 101990 U 5 керуючий електрод виконаний у вигляді індуктора, а генератор керуючих імпульсів виконаний у вигляді генератора імпульсів високочастотної напруги. 2. Газорозрядне джерело електронів з вторинно-емісійним катодом за п. 1, яке відрізняється тим, що додатково містить кільцевий постійний магніт, який розташовано коаксіально до керуючого електрода. Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3