Разработка и создание источника электронов с многодуговым плазменным катодом для генерации радиально сходящегося электронного пучка

Введение 7
1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 9
1.1 Методы получения электронных пучков 9
1.1.1 Источники электронов на основе термокатодов 9
1.1.2 Источники электронов на основе взрывоэмиссионных катодов 12
1.1.3 Источники электронов а основе плазменных эмиттеров с сеточной стабилизацией границы эмиссионной плазмы 19
1.1.4 Источники электронов на основе самостоятельного и несамостоятельного высоковольтного тлеющего разряда (ВТР) 23
1.2 Источник электронов «Радиан» 26
2 ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ 28
2.1 Проектирование и создание системы электропитания 28
2.1.1 Схема электропитания и принцип ее работы 28
2.1.2 Дроссель 29
2.1.3 Конденсаторы 33
2.1.4 Транзисторы 35
2.1.5 Диоды 35
2.1.6 Макет системы электропитания 36
2.2 Описание экспериментальной установки 38
2.3 Проведение эксперимента 39
Заключение 42
Список использованных источников 43

Весь текст будет доступен после покупки

Способность к эмиссии заряженных частиц является одним из фундаментальных свойств плазмы. Практический интерес к этому явлению связан с возможностью создания на основе плазменных систем источников заряженных частиц широкого спектра параметров для различных применений. Весь комплекс исследований эмиссионных свойств плазмы в совокупности с созданием на их основе эффективных источников электронных пучков представляет собой научное направление прикладной физики, получившее название «Плазменная эмиссионная электроника» [1].
Признание плазменной эмиссионной электроники как самостоятельного научного направления неразрывно связано с именем советского физика – Юлия Ефимовича Крейнделя. Именно при его непосредственном участии и под его научным руководством были выполнены пионерские работы по исследованию эмиссии электронов из плазмы разрядов низкого давления. В 1977 году он возглавил отдел плазменной эмиссионной электроники в созданном по инициативе академика Геннадия Андреевича Месяца Институте сильноточной электроники АН СССР. Авторский коллектив во главе с Юлием Ефимовичем Крейнделем работал в области плазменной эмиссионной электроники и формирования пучков заряженных частиц. Под его руководством проведены комплексные исследования условий генерации в газовых разрядах низкого давления неоднородных плазменных образований и их эмиссионных свойств; выявлены и изучены принципиальные особенности эмиссии электронов из плазмы; исследованы принципы формирования электронных пучков в системах с плазменными эмиттерами. Результаты этих исследований послужили основой для создания нового класса электронно-лучевых систем – ускорителей электронов с плазменным катодом, характеристики которых позволили значительно расширить возможность практического использования электронных пучков [2].

Весь текст будет доступен после покупки

1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Методы получения электронных пучков

Первые ускорители заряженных частиц появились еще в первой половине XX века. Изначально они создавались учеными для исследования строения вещества. Со временем ускорители стали все шире использоваться в различных областях человеческой деятельности – промышленности, медицине и сельском хозяйстве. Размеры ускорителей по мере развития науки и техники постепенно уменьшались, а характеристики варьировались в значительных пределах, позволяя решать все более широкий круг задач [3]. Для определения области перспективного использования каждого из типов ускорителей электронов следует более подробно изучить их принципы действия, конструктивные особенности и основные характеристики, а также преимущества и недостатки в сравнении друг с другом.

1.1.1 Источники электронов на основе термокатодов

Первые электронные пучки были получены способом, основанным на явлении термоэлектронной эмиссии, которая заключается в испускании электронов поверхностью нагретых проводящих тел. Поток электронов эмитируется термокатодом, имеющим прямой или косвенный подогрев, и ускоряется электрическим полем. Катод прямого накала разогревается током, пропускаемым непосредственно через катод, выполняемый в этом случае в виде одной или нескольких соединенных между собой нитей или лент, имеющих выводы. Катод косвенного накала нагревается от подогревателя, передающего тепловую энергию эмитирующей поверхности катода. Обычно такие катоды изготавливаются в виде цилиндра с отдельным выводом.
По физическим и электрическим свойствам термоэлектронные катоды можно подразделить на следующие группы [4]:
? Катоды из чистых металлов;
? Пленочные катоды;
? Полупроводниковые катоды;
? Сложные катоды.
Среди множества материалов, которые используются в катодной технике, наибольшее практическое применение получили катоды, изготовленные с использованием боридов редкоземельных металлов. Они представляют собой соединения типа LaB6 (лантан борида). Важным преимуществом лантан-боридного катода наряду с устойчивостью к «отравлению» остаточными газами и парами и ионной бомбардировке является то, что он не теряет своих эмиссионных свойств после пребывания на воздухе [5].
Источники электронов на основе термоэлектронной эмиссии заняли определенные производственные ниши, в том числе и для формирования электронных пучков большого сечения (ПБС). Источники электронов с термокатодами, позволяющие генерировать ПБС, предназначены в основном для работы в непрерывном режиме и на импульсах значительной длительности, что обусловлено как инерционностью, так и ограниченной эмиссионной способностью термокатодов. В связи с тем, что создание термокатодов с большой эмиссионной поверхностью технологически затруднено, для формирования широкого пучка используют многоэлементные катоды – отдельные протяженные нити. Поскольку площадь сечения пучка превосходит эмитирующую поверхность примерно на порядок, то нитевидные катоды должны обеспечивать достаточно высокую плотность эмиссии. При этом достижение высокой плотности тока возможно при соответствующе большой температуре нитей, которая приводит к сокращению их срока службы.
Широко известны ускорители данного типа на основе ряда протяженных проволочных термокатодов с планарными электронно-оптическими системами (ЭОС). Наиболее простую конструкцию ЭОС с многоэлементными катодами имеют трехэлектродные ускорители. Они состоят из нитевидных эмиттеров, помещенных в поле диода, образованного плоским анодом и отражательным электродом. Исследования широкоапертурного термоэмиссионного ускорителя с ЭОС триодного и тетродного типа приведены в работе [6]. Ускоритель генерирует электронный пучок с энергией до 200 кэВ и работает в непрерывном режиме, сетки выполнены в виде ряда нитей или стержней. Конструктивная схема ускорителя с триодной ЭОС приведена на рисунке 1.1.

1 – вакуумная камера; 2 – высоковольтный изолятор;
3 – плоский тепловой экран; 4 – проволочный эмиттер;
5 – управляющая сетка; 6 – электростатический экран; 7 – выпускное окно
Рисунок 1.1 – Конструктивная схема ускорителя с триодной ЭОС [6]

В вакуумной камере 1 ускорителя на проходном высоковольтном изоляторе 2 установлен катодно-сетчатый блок, в котором имеется плоский тепловой экран (спредер) 3, ряд проволочных эмиттеров 4 с определенным шагом, управляющая сетка 5 в виде параллельных стержней. Элементы катодного блока заключены в электростатический экран 6. С целью снижения температурных поводок при работе ускорителя конструкция катодного блока выполнена секционированной. Это повышает надежность ускорителя и стабильность его параметров. Анодом ускорителя является выпускное окно 7. Катодно-сеточный блок тетродного типа, кроме указанных для триода элементов, содержит еще одну сетку – формирующую, соединенную с электростатическим экраном, спредером и одним из концов термоэмиттеров, что упрощает схему питания тетрода, поскольку отсутствует отдельный источник питания второй сетки. Также ускоритель с ЭОС тетродного типа обладает рядом достоинств по сравнению с аналогичным ускорителем с ЭОС триодного типа – в нем обеспечивается независимая регулировка тока и энергии электронного пучка, распределение плотности тока по сечению выведенного электронного пучка имеет более однородный характер.

Весь текст будет доступен после покупки

1. Окс Е.М. Источники электронов с плазменным катодом: физика, техника, применения. Томск: Изд-во НТЛ, 2005. 216 с.
2. Месяц Г.А. Спасти науку. М.: Наука, 2001. 255 с.
3. Черняев А.П., Белихин М.А., Желтоножская М.В. Введение в физику ускорителей заряженных частиц. М.: ООП физического факультета МГУ, 2019. 112 с.
4. Вакуумные и плазменные приборы и устройства / А.И. Аксенов [и др]. Томск: ТУСУР, 2014. 142 с.
5. Кайдалов А.А., Истомин Е.И. Сварочные электронные пушки. Киев: Научно-технический комплекс «Институт электросварки им. Е.О. Патона» Национальной Академии наук Украины, 2003. 153 с.
6. Косогоров С.Л. Расчетное и экспериментальное исследование электронно-оптических систем низкоэнергетических электронных ускорителей с пучком большого сечения // ЖТФ. 2011. Т. 81. Вып. 7. С. 115 – 119.
7. Месяц Г.А. Взрывная электронная эмиссия. М.: Физматлит, 2011. 280 с.
8. Бурцев В.А., Калинин Н.В., Лучинский А.В. Электрический взрыв проводников и его применение в электрофизических установках. М.: Энергоатомиздат, 1990. 288 с.
9. Месяц Г.А. Эктоны. Ч. 3. Роль эктонов в электрофизических устройствах. Екатеринбург: УИФ «Наука», 1994. 262 с.
10. Месяц Г.А. Импульсная энергетика и электроника. М.: Наука, 2004, 704 с.
11. Проскуровский Д.И., Янкелевич Е.Б. Взрывоэмиссионный катод большой. Новосибирск: Наука, 1983. 86 с.

Весь текст будет доступен после покупки