Спосіб генерації електронного пучка в магнетронній гарматі та пристрій для його здійснення

Реферат: Спосіб генерації електронного пучка в магнетронній гарматі і пристрій для його здійснення належать до галузей наукових досліджень та можуть бути використані в електронно-променевій технології для генерації та нагріву плазми, для термообробки, плавки, зварювання, в технології радіаційної обробки різних об'єктів. Запропонований винахід полягає в тому, що в магнетронній гарматі на протяжні коаксіальні катод та анод діють високовольтною напругою для емісії електронів, на які діють зовнішнім поздовжнім магнітним полем і додатковим поздовжнім магнітним полем. Причому додатковим магнітним полем діють так, щоб його напрям був протилежним напряму зовнішнього магнітного поля на осі гармати, при цьому забезпечують мінімальний сумарний магнітний потік крізь переріз катоду. Завдяки запропонованій конструкції магнетронної гармати на шляху подальшого руху пучка, магнітне поле гармати може сфокусувати пучок в пляму малих розмірів без «отвору» в опроміненій області, тобто підвищується точність фокусування магнетронної гармати. UA 98357 C2 (12) UA 98357 C2 UA 98357 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до сильнострумової вакуумної електроніки і може бути використаний в електронно-променевій технології для генерації та нагріву плазми, для термообробки, плавки, зварювання. Він може також знайти застосування в технології радіаційної обробки різних об'єктів: в інжекторах електронних прискорювачів, в джерелах рентгенівського випромінювання, в потужних і надпотужних джерелах НВЧ. Винахід може мати й інші застосування, головним чином, в галузях наукових досліджень і наукоємних технологій. Як правило потужні магнетронні гармати, головним чином, будуються на базі термоелектронного розжарюваного катода. Відомо про спосіб генерації електронного пучка в магнетронній гарматі [1]. Відповідно до цього способу на коаксіальні конічні анод і розжарюваний катод діють електричною напругою для емісії електронів, на які діють поздовжнім магнітним полем, формуючи трубчастий електронний потік, який фокусують, застосовуючи при цьому додаткову магнітну лінзу. Відома магнетронна електронна гармата [1]. Вона має конічний анод і конічний розжарюваний термоемісійний катод всередині анода. Ці електроди розташовані коаксіально. Зовнішнє джерело створює магнітне поле, спрямоване вздовж їх спільної осі. Недоліком такого способу і пристрою для його здійснення є наявність ненульового узагальненого кутового моменту в електронах, що формуються магнетронною гарматою. Через це електронний пучок принципово неможливо сфокусувати в пляму. Крім того, термоемісійний катод магнетронної гармати недостатньо довговічний і потребує додаткового джерела живлення для розжарювання. Відомо про іншій спосіб генерації електронного пучка [2] в магнетронній гарматі. За цим способом на коаксіальний конічний катод, вміщений в циліндричний трубчастий анод, діють високовольтною напругою, яка дорівнює порядку ста кіловольт. На електроди діють також зовнішнім магнітним полем, яке спрямоване вздовж їх спільної осі. Відомо про магнетронну електронну гармату [2], в якій реалізується цей спосіб. Вона складається з конічного нерозжарюваного катода, вміщеного коаксіально в циліндричний трубчатий анод. Гармата має зовнішнє джерело для створення магнітного поля, спрямованого вздовж їх спільної осі. Гармата генерує імпульсний трубчатий електронний пучок зі струмом близько ста ампер. При використанні цього способу і пристрою отримують трубчастий електронний пучок, який не можна сфокусувати у пляму. Але для ряду застосувань трубчатий пучок незручний, наприклад для інжекції в резонансному лінійному прискорювачі, зварювання, обробки поверхонь. Крім того, такий спосіб і гармата мають невисокий ККД через перехоплення електронів анодом. При цьому утворюється плазма, рух якої робить пучок нестабільним і обмежує тривалість імпульсу. За ще одним способом генерації електронного пучка в магнетронній гарматі [3], на протяжні коаксіальні катод та анод діють високовольтною напругою для емісії електронів. На електрони діють зовнішнім поздовжнім магнітним полем, яке повертає електрони до катода, забезпечуючи вторинну емісію, що самопідтримується. Відома магнетронна електронна гармата [3], в якій реалізується цей спосіб, складається із анода та катода із зовнішнім джерелом магнітного поля. Катод і анод виконані циліндричними і розташовані коаксіально. Катод працює в режимі самопідтримної вторинної емісії, яка визначається дією магнітного поля, що повертає електрони до катода. Недоліком такого способу і пристрою є те, що вони, як і всі попередні аналоги, можуть створювати тільки трубчастий пучок, що неприйнятно для ряду областей застосування. Найбільш близьким до способу, що заявляється, є спосіб генерації електронного пучка в магнетронній гарматі [4], який був взятий за найближчий аналог. За цим способом на протяжні коаксіальні катод та анод діють високовольтною напругою для емісії електронів, на які діють зовнішнім поздовжнім магнітним полем і додатковим поздовжнім магнітним полем, яке створюється джерелом всередині катода. Цими магнітними полями діють в одному напрямку. Внутрішнє магнітне поле коригує зовнішнє магнітне поле для покращання умов запуску самопідтримної вторинної емісії. За найближчий аналог пристрою, що заявляється, прийнята відома магнетронна електронна гармата [4]. Вона включає розміщені в вакуумній камері коаксіальні катод і анод із зовнішнім основним джерелом магнітного поля і розміщене всередині катода додаткове джерело магнітного поля. Такий спосіб і пристрій не придатні для ряду областей застосування тому, що здатні створювати лише трубчасті електронні пучки великого діаметра. В основу винаходу поставлено задачу удосконалити спосіб генерації електронного пучка в магнетронній гарматі і пристрій для його здійснення. Удосконалення повинно забезпечити 1 UA 98357 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 генерування електронного пучка, який може бути сфокусований в пляму невеликих розмірів з якнайменшою неопроміненою областю всередині або без неї. Таке удосконалення треба здійснити шляхом особливого коригування магнітного поля на осі гармати. Поставлена задача вирішується способом, що заявляється, за яким, на протяжні осесиметричні катод та анод діють високовольтною напругою для емісії електронів, на які діють зовнішнім поздовжнім магнітним полем і додатковим поздовжнім магнітним полем, яке створюється джерелом всередині катода. Відповідно до винаходу, додатковим магнітним полем діють так, щоб його напрям був протилежним напряму зовнішнього поля на осі гармати, при цьому забезпечують мінімальний сумарний магнітний потік крізь переріз катода. Поставлена задача вирішується в магнетронній електронній гарматі, що заявляється, яка включає розміщені в вакуумній камеpi коаксіальні катод і анод із зовнішнім основним джерелом магнітного поля і розміщене всередині катода додаткове джерело магнітного поля. Згідно з винаходом, додаткове джерело магнітного поля виконано у вигляді постійного магніту або у вигляді соленоїду, підключеного до джерела електроживлення, для створення додаткового магнітного поля, з напрямом індукції на осі гармати протилежним напряму індукції основного магнітного поля. Додаткове джерело магнітного поля, яке виконано у вигляді постійного магніту, обладнане магнітними шунтами або придатковими соленоїдами для можливості регулювання індукції магнітного поля. В іншому варіанті, коли додаткове джерело магнітного поля виконане у вигляді соленоїду, воно підключено до джерела електроживлення з регулюванням струму в його витках для можливості регулювання індукції магнітного поля. При створенні всередині катода магнітного поля з напрямом, протилежним напряму зовнішнього магнітного поля, відбувається часткова або повна компенсація узагальненого кутового моменту емітованих катодом електронів. При цьому забезпечується можливість мінімізувати сумарній магнітний потік крізь переріз катода. Завдяки цьому на шляху подальшого руху пучка зовнішнє магнітне поле гармати може сфокусувати пучок в пляму малих розмірів без «отвору» в опроміненій області. Також з'являється можливість користуватись окремою магнітною або електростатичною лінзою для подальшого фокусування пучка. Суть винаходу пояснюється кресленнями. На фіг. 1 схематично зображена схема магнетронної електронної гармати. На фіг. 2 і 3 показані фотознімки флуоресцентних мішеней із слідами пучків електронів. Розглянемо приклад, який пояснює можливість здійснення заявленого пристрою. Магнетронна електронна гармата (див. фіг. 1) розміщена у вакуумній камері (на кресленні не показана), яка включає джерело зовнішнього основного магнітного поля 1, електроди гармати: трубчатий анод 2 і катод 3, який виконано порожнистим. В його порожнині розміщено додаткове джерело магнітного поля 9. Катод 3 виконано з переднім стабілізуючим електродом 4 та заднім екрануючим електродом 5, потенціал якого близький до потенціалу катода. Ці електроди 3, 4, 5 установлено на ізоляторі 6 і розташовано коаксіально між собою та до джерела зовнішнього основного магнітного поля 1. Вони з'єднані через вивід 7 із джерелом електричного живлення (на фіг. 1 не показане). На продовженні осі електродів 2, 3, 4, 5 встановлена фокусуюча магнітна котушка 8. Джерела магнітного поля 1, 8 на кресленні зображені у вигляді соленоїдів, що живляться струмом від відповідних джерел живлення. На фіг. 1 зображено оброблюваний об'єкт (мішень) 10, на який потрапляє пучок, і ймовірний слід пучка 11. Приклад реалізації способу за винаходом розглянемо, описуючи роботу пристрою. Для приведення гармати в робочий стан катодний вивід 7, який проходить крізь ізолятор 6 приєднують до негативного полюсу джерела високовольтного живлення (на фіг. 1 не показано), а позитивний полюс джерела приєднують до анода 2. Приєднують соленоїди 1 і 9 до джерел живлення (на фіг. 1 не показано) так, щоб напрями струму в зовнішньому ізолюючому і в додатковому компенсуючому соленоїдах були протилежними, при цьому магнітні поля в соленоїдах 1 і 9 теж будуть протилежними. Вмикають струм в соленоїдах 1 і 9. Струми соленоїдів 1 і 9 вибирають такими, щоб індукція магнітного поля була достатньою для забезпечення повернення електронів, емітованих з бокової поверхні катода 3 при подачі напруги на гармату. Для цього напруженість магнітного поля В повинна відповідати співвідношенню відсічки, яке при нерелятивістських енергіях електронів має вигляд: 2 UA 98357 C2 B 5 10 15 20 25 30 35 40 45 8mU e  r2 ra 1  k 2  ra     , де: - rа - радіус анода; - rk - радіус катода; - m - маса електрона; - e - заряд електрона; - U - напруга між катодом і анодом. Крім цього співвідношення між струмами соленоїдів 1 і 9 має бути таким, щоб забезпечити мінімальний магнітний потік крізь переріз катода, з якого відбувається емісія. Контролюють забезпечення цієї умови за допомогою мікровеберметру. Після цього подають напругу на катод 3, разом із запускаючим імпульсом. На спаді запускаючого імпульсу розвивається лавина вторинної емісії, що переходить в самопідтримну вторинну емісію з бокової поверхні катода. Розширення електронної хмари під впливом просторового заряду вздовж магнітного поля спричиняє виштовхування електронів у бік вільного кінця катода з електродом 4, який формує електронний пучок. Катодній екран 5 створює електричне поле, яке перешкоджає виштовхуванню електронів у напряму, протилежному виштовхуванню основного пучка. Завдяки електричному полю біля електрода 4, що вже не перпендикулярне магнітному, електрони прискорюються до енергії, яка приблизно відповідає прикладеній напрузі. Завдяки протилежним напрямам струму в зовнішньому ізолюючому 1 та в додатковому компенсуючому 9 соленоїдах магнітні силові лінії далі кінця катода сходяться. Відповідно будуть сходитись і траєкторії електронів, які в сильних магнітних полях ідуть за напрямом силових ліній магнітного поля. Крім того, завдяки дії компенсуючого магнітного поля, азимутальна компонента руху електронів на виході з магнітних полів гармати зменшується та надає можливість сфокусувати пучок електронів за допомогою фокусуючою котушки 8 у пляму малих розмірів 11 без неопроміненої області в центрі. Електронний пучок, проходячи від катода по осі гармати, потрапляє на оброблювальній об'єкт (мішень) 10 або колектор у випадку використання гармати в НВЧ приладі, або в пристрій для подальшого прискорення. Показано також ймовірний слід пучка 11. Було здійснено комп'ютерне моделювання траєкторій електронів у джерелі, що виявило можливість фокусування електронів за умови рівності магнітних потоків від зовнішнього та внутрішнього додаткового джерела магнітного поля крізь переріз катода в площині, де відбувається емісія електронів. Можливість отримання пучка, сфокусованого в пляму, була також перевірена експериментально. Спочатку була використана магнетронна гармата без додаткового джерела магнітного поля в середині катода. Результат ми можемо бачити на фіг. 2, на якій зображено об'єкт (мішень) зі слідом пучка кільцевої форми. У другому етапі експерименту була використана вже магнетронна гармата з додатковим джерелом магнітного поля в середині катода, яким діють так, щоб його напрям був протилежним напряму зовнішнього поля на осі гармати, при цьому забезпечують мінімальний сумарний магнітний потік крізь переріз катода. Завдяки цьому пучок формується в пляму. Це проілюстровано на фіг. 3. Джерела інформації 1. Патент Великобританії GB 1237636, зареєстрований 30.06.1971. 2. Патент США US 4,495,442, зареєстрований 22.01.1985 або патент Японії JP 58048336. 3. В.С. Балагура, Б.Г. Сафронов, С.А. Черенщиков. Короткоимпульсные электронные пушки с ненакаливаемыми катодами для ЛУЭ. Вопросы атомной науки и техники. Сер. Ядернофизические исследования (теория и эксперимент), 4 (25), 1992, с. 48-51. 4. Y.М. Saveliev, W. Sibbett, and D.M. Parkes. Characterisation of Electron Beams by CrossedField Secondary Emission Diodes. Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 40 (2001) pp. 940-943, Pt. 1, No. 28 (найближчий аналог). 50 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 55 1. Спосіб генерації електронного пучка в магнетронній гарматі, за яким на протяжні коаксіальні катод та анод діють високовольтною напругою для емісії електронів, на які діють зовнішнім поздовжнім магнітним полем і додатковим поздовжнім магнітним полем, яке створюють за допомогою додаткового джерела магнітного поля всередині катоду, який відрізняється тим, що 3 UA 98357 C2 5 10 15 додатковим поздовжнім магнітним полем діють так, щоб його напрям був протилежним напряму зовнішнього магнітного поля на осі гармати, при цьому забезпечують мінімальний сумарний магнітний потік крізь переріз катоду. 2. Магнетронна електронна гармата, яка включає розміщені в вакуумній камері коаксіальні катод і анод із зовнішнім основним джерелом магнітного поля, розміщене всередині катоду додаткове джерело магнітного поля, яка відрізняється тим, що додаткове джерело магнітного поля виконано у вигляді постійного магніту, що регулюється, або у вигляді соленоїду, підключеного до джерела електроживлення, та виконане з можливістю створення додаткового магнітного поля, з напрямом індукції на осі гармати протилежним напряму індукції основного магнітного поля. 3. Магнетронна електронна гармата за п. 2, яка відрізняється тим, що додаткове джерело магнітного поля, яке виконано у вигляді постійного магніту, обладнане магнітними шунтами або придатковими соленоїдами для можливості регулювання індукції магнітного поля. 4. Магнетронна електронна гармата за п. 2, яка відрізняється тим, що додаткове джерело магнітного поля, яке виконано у вигляді соленоїду, підключено до джерела електроживлення з регулюванням струму в його витках для можливості регулювання індукції магнітного поля. 4 UA 98357 C2 Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5