Плазмове джерело електронів

Реферат: UA 106156 U UA 106156 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до плазмової емісійної електроніки, зокрема до конструкцій джерел електронів. Пристрій призначений для використання як джерела електронів в дугових генераторах плазми, наприклад, при азотуванні та оксидуванні матеріалів. Відоме джерело електронів з порожнистим катодом, до торців якого підведено напругу, за рахунок якої він нагрівається до термоемісійної температури при проходженні електричного струму через порожнистий катод [1]. Ця конструкція є складною і недостатньо надійною, тому що вимагає підведення до порожнистого катода великих струмів (більше 100 А). Відома також конструкція порожнистого катода, який розігрівається до термоемісійної температури за рахунок високочастотного розряду [2]. Це потребує окремого високочастотного генератора, що ускладнює конструкцію катодного вузла і суттєво збільшує її вартість. Найбільш близьким рішенням до пристрою, що заявляється, є джерело електронів, в якому порожнистий катод розігрівається до термоемісійної температури за рахунок магнетронного розряду в схрещених електричному і магнітному полях [3]. Джерело електронів для вакуумних дугових генераторів плазми, що містить вакуумну камеру із встановленими циліндричним анодом, що коаксіально охоплює порожнистий катод, по торцях якого розташовано катодні відбивачі з отворами та магнітною системою, що складається з постійних кільцевих магнітів, поле якої є паралельним до осі порожнистого катода. У зв'язку з тим, що робоча напруга магнетронного розряду перевищує 250 В, то основним недоліком цієї конструкції є інтенсивне розпорошення порожнистого катода внаслідок бомбардування іонами з енергіями, близькими до 250 еВ, яке суттєво зменшує ресурс роботи джерела електронів. В основу корисної моделі поставлена задача вдосконалення плазмового джерела електронів з порожнистим катодом, що дозволить працювати в широкому діапазоні розрядних струмів і збільшить робочий ресурс пристрою. Поставлену задачу було вирішено тим, що в плазмовому джерелі електронів, що містить вакуумну камеру, в якій встановлено циліндричний анод, що коаксіально охоплює порожнистий катод, по торцях якого розташовані катодні відбивачі з отворами, а також магнітна система, що складається з постійних кільцевих магнітів, поле якої є паралельним до осі порожнистого катода, згідно з корисною моделлю, порожнистий катод виконано з двох електрично незалежних частин, кожна з яких підключається до електричного блока живлення змінного струму через роздільний трансформатор, що живить дуговий розряд змінного струму між частинами порожнистого катода. На Фіг. 1 представлено схему плазмового джерела електронів для плазмо-дугових технологій. Плазмове джерело електронів приєднується до вакуумної камери 1 і складається з циліндричного анода 2, на осі якого розташовано порожнистий катод, що складається з двох частин 3 і 4 (тонкостінна танталова трубка діаметром 4 мм и сумарною довжиною 60 мм), зазор між якими дорівнює 1-2 мм, а до їх торців прикріплено катодні відбивачі 5, 6. Магнітна система 7, що складається з постійних кільцевих магнітів, з полем на осі В  0,07 Тл коаксіально охоплює анод 2. У відбивачі 5 є отвір, через який в порожнистий катод 3 подається інертний газ (аргон і т. п.). У відбивачі 6 виконано отвір 8 для виведення електронно-плазмового потоку 9 у вакуумну камеру 1. Газорозрядний пристрій працює таким чином. Після вакуумування робочої камери, у циліндричний анод 2, через отвір у відбивачі 5 в порожнистий катод З подають інертний газ (аргон) до тисків 1,0100 Па. Від блока живлення БЖ-1 запалюють магнетронний розряд в схрещених електричному і магнітному полях, між циліндричним анодом 2 і частинами порожнистого катода 3, 4. Електрони під впливом схрещених електричного й магнітного полів обертаються навколо катода, що приводить до зростання ймовірності зіткнень електронів з атомами інертного газу, іонізації газу та горіння розряду. Напругу і струм розряду встановлюють в межах: Up=250550 В, Ір = 1.53 А. За рахунок іонного бомбардування з магнетронного розряду частини порожнистого катода 3, 4 розігріваються до температури  2300°K (пунктирна 2 межа на Фіг. 2), що забезпечує мінімальну термоемісію (густина струму 0.2 А/см ), достатню для запалювання дугового розряду між частинами порожнистого катода 3, 4. За рахунок прикладеної змінної напруги (напруга на холостому ходу  160 В) від блока живлення БЖ-2 через роздільний трансформатор, між частинами порожнистого катода 3, 4 запалюється дуговий розряд змінного струму, який розігріває обидві частини катода. Практично вся потужність розряду змінного струму іде на нагрівання частин порожнистого катода. При напрузі розряду 30-55 В і значеннях струму, регульованих в діапазоні від 5 до 20 А, частини порожнистого катода розігріваються до температури  2800°K, що забезпечує емісію 2 електронного струму з порожнистого катода більше 10 А/см Фіг. 2. Цього вистачає для запалювання та стабільного горіння об'ємного дугового розряду у вакуумній камері 1 між анодом 10 та частинами порожнистого катода 3, 4 від блока живлення розряду БЖ-3. При цьому допоміжний магнетронний розряд вимикають, щоб запобігти інтенсивному розпорошенню 1 UA 106156 U 5 10 15 20 порожнистого катода. Відомо, що розпорошення катода відбувається, в основному, за рахунок бомбардування іонами матеріалу катода (саморозпилення). Швидкість розпилення катода пропорційна силі струму і квадрату напруги розряду, і практично не залежить від роду газу, що подається [4]. Напруга горіння дугового розряду між частинами порожнистого катода становить  40 В, а магнетронного розряду - більше 250 В, таким чином інтенсивність розпилення в дуговому розряді зменшується, що значно збільшує ресурс роботи плазмового джерела електронів. Цей пристрій випробувано з плазмоутворюючими газами аргоном і азотом, і емісійними струмами дугового об'ємного розряду в межах 570 А. Результати випробувань плазмового джерела електронів показали надійність, стабільну роботу в усьому діапазоні робочих струмів і збільшення ресурсу роботи пристрою в цілому (десятки годин). Джерела інформації: 1. Sidenius G. The High temperature Hollow cathode ion Source // Nucl. Instrum. And Methods. 1965. - № 6. - P. 19-22. 2. Lidsky L.M. Highly Ionized Hollow Cathode Discharge // J. Appl. Phys. - 1962. - № 33. - P. 2490. 3. Груздев В.А., Крейндель Ю.Е., Троян О.Е. Инициирование разряда с холодным полым катодом газомагнетроном // Журнал технической физики. - 1980, т. 50, № 10. - С. 2108-2111. 4. Пасюк А.С., Третьяков Ю.П., Станку В. Распыление катода в дуговом ионном источнике // Приборы и техника эксперимента. - 1965. - № 3. - С. 42-45. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 25 Плазмове джерело електронів для вакуумних дугових генераторів плазми, що містить вакуумну камеру із встановленими циліндричним анодом, що коаксіально охоплює порожнистий катод, по торцях якого розташовано катодні відбивачі з отворами та магнітною системою, що складається з постійних кільцевих магнітів, поле якої є паралельним до осі порожнистого катода, яке відрізняється тим, що порожнистий катод виконано з двох окремих частин, і кожна з них як електрод підключається до електричного блока живлення змінного струму. 2 UA 106156 U Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська 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