RU2250577C2

RU2250577C2 - Gas-discharge plasma cathode

Info

Publication number: RU2250577C2
Application number: RU2003122120/06A
Authority: RU
Inventors: Н.В. Гаврилов (RU); Н.В. Гаврилов; А.С. Каменецких (RU); А.С. Каменецких
Original assignee: Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук
Priority date: 2003-07-15
Filing date: 2003-07-15
Publication date: 2005-04-20
Also published as: RU2003122120A

Abstract

FIELD: plasma generation.

SUBSTANCE: electrode set of plasma cathode has hollow cylindrical cathode with slit-shaped output aperture and hollow anode. Height of the latter depends on distance between cathode aperture and control grid. Ratio of anode height and control grid transverse incision is greater than unity. Cathode aperture width depends on thickness of spatial charge cathode layer.

EFFECT: enlarged surface area of plasma uniformly emitting electrons.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к технике получения плазмы в больших объемах и генерации широких электронных пучков с большим током.The invention relates to techniques for producing plasma in large volumes and the generation of wide electron beams with high current.

Известен плазменный эмиттер на основе тлеющего разряда с полым катодом, в котором электроны извлекаются непосредственно из плазмы, генерируемой в катодной полости разряда [1]. Для сохранения устойчивого горения разряда с полым катодом при низких давлениях, обеспечивающих электрическую прочность ускоряющего промежутка, должно выполняться соотношение между площадями поверхности катода и анода S_a/S_k~(m_е/М_i)^1/2. Выполнение этого соотношения обеспечивает полную энергетическую релаксацию быстрых электронов и обеспечивает замыкание тока медленных электронов на анод без формирования анодного слоя пространственного заряда [2]. Здесь m_е и M_i - масса электрона и иона, а площадь анода соответствует площади эмиттера электронов. Чтобы создать электронный эмиттер такого типа с поперечным сечением 10³ см² нужен полый катод с площадью поверхности порядка 10⁵ см². Большие размеры конструкции катода приводят к необходимости использования больших вакуумных камер и мощных откачных систем, что существенно усложняет и удорожает эксплуатацию электронных источников такого типа. Кроме того, приведенное соотношение является также условием стабилизации плазменной границы в апертуре полого катода и обеспечивает возможность отбора электронов с открытой плазменной поверхности. При увеличении размеров апертуры, через которую извлекаются электроны, для фиксации плазменной границы и сохранения условий стабильного горения разряда необходимо затягивать апертуру мелкоструктурной сеткой.Known plasma emitter based on a glow discharge with a hollow cathode, in which electrons are extracted directly from the plasma generated in the cathode cavity of the discharge [1]. To maintain stable combustion of the hollow cathode discharge at low pressures that ensure the electric strength of the accelerating gap, the ratio between the surface areas of the cathode and anode S _a / S _k ~ (m _e / M _i ) ^1/2 must be fulfilled. The fulfillment of this relation ensures the complete energy relaxation of fast electrons and ensures the closure of the current of slow electrons to the anode without the formation of an anode layer of space charge [2]. Here, m _e and M _i are the mass of the electron and ion, and the area of the anode corresponds to the area of the electron emitter. To create an electronic emitter of this type with a cross section of 10 ³ cm ^{2 you} need a hollow cathode with a surface area of about 10 ⁵ cm ² . The large dimensions of the cathode design necessitate the use of large vacuum chambers and powerful pumping systems, which significantly complicates and increases the cost of operating electronic sources of this type. In addition, the above relation is also a condition for stabilization of the plasma boundary in the aperture of the hollow cathode and makes it possible to select electrons from an open plasma surface. With an increase in the size of the aperture through which electrons are extracted, in order to fix the plasma boundary and maintain stable combustion conditions, it is necessary to tighten the aperture with a fine-grained network.

Известен плазменный источник электронов [3], электродная система тлеющего разряда в котором состоит из полого катода, в выходной апертуре которого установлен сетчатый анод и управляющая сетка, расположенная со стороны ускоряющего промежутка. Подача отрицательного потенциала на управляющую сетку относительно анодной сетки позволяет уменьшать ток пучка вплоть до его полного запирания. Однако в такой системе площадь эмиттера также определяется размерами катодной апертуры, а увеличение размеров эмиттера без сохранения требуемого соотношения площадей катода и анода приводит к росту рабочего давления газа и ограничению рабочего напряжения ускорителя на уровне 150 кВ из-за опасности возникновения газового пробоя в условиях, соответствующих левой ветви кривой Пашена [4].Known plasma electron source [3], the glow discharge electrode system in which consists of a hollow cathode, in the output aperture of which is installed a mesh anode and a control grid located on the side of the accelerating gap. The supply of a negative potential to the control grid relative to the anode grid allows one to reduce the beam current up to its complete blocking. However, in such a system, the emitter area is also determined by the dimensions of the cathode aperture, and an increase in the size of the emitter without maintaining the required ratio of the areas of the cathode and anode leads to an increase in the working gas pressure and the accelerator operating voltage is limited to 150 kV due to the risk of gas breakdown under conditions corresponding to left branch of the Paschen curve [4].

Задачей изобретения является увеличение площади равномерно эмитирующей электроны поверхности плазмы тлеющего разряда с полым катодом без увеличения площади поверхности катода. Для этого в плазменном катоде, электродная система которого включает цилиндрический полый катод с выходной апертурой в форме щели, ось которой параллельна оси катода, поджигающий электрод в виде тонкой нити, натянутой вдоль оси катода, анод и управляющую сетку, анод выполняется полым, причем высота анода, определяемая расстоянием между катодной апертурой и управляющей сеткой, и поперечный размер управляющей сетки соотносятся, как Z/H>1, а ширина катодной апертуры определяется с учетом толщины катодного слоя, как h~πD(m_e/M_i)^1/2+2s; где Н - поперечный размер управляющей сетки; Z - расстояние между катодной апертурой и управляющей сеткой, h - ширина катодной апертуры;

- толщина катодного слоя пространственного заряда; D - диаметр полого катода; U - напряжение горения разряда, j - плотность тока на катоде; m_е, М_i - масса электрона и иона, соответственно; ε₀ - диэлектрическая постоянная; е - заряд электрона.The objective of the invention is to increase the area of the evenly emitting electrons surface of the plasma of a glow discharge with a hollow cathode without increasing the surface area of the cathode. To do this, in the plasma cathode, the electrode system of which includes a cylindrical hollow cathode with an output aperture in the form of a slit, the axis of which is parallel to the cathode axis, the electrode ignites in the form of a thin filament stretched along the cathode axis, the anode and the control grid are hollow, and the height of the anode determined by the distance between the cathode aperture and the control grid and the transverse size of the control grid are correlated as Z / H> 1, and the width of the cathode aperture is determined taking into account the thickness of the cathode layer as h ~ πD (m _e / M _i ) ^1/2 + 2s; where H is the transverse size of the control grid; Z is the distance between the cathode aperture and the control grid, h is the width of the cathode aperture;

- the thickness of the cathode layer of the space charge; D is the diameter of the hollow cathode; U is the discharge burning voltage, j is the current density at the cathode; m _e , M _i - mass of electron and ion, respectively; ε ₀ is the dielectric constant; e is the electron charge.

Сущность изобретения: выходная апертура полого катода в форме протяженной щели обеспечивает возможность равномерного по длине щели поступления электронов из катодной полости в анодную полость и формирования плазменного эмиттера электронов значительной протяженности. Для того чтобы ограничить уход быстрых электронов из катодной полости и обеспечить поддержание разряда при низком давлении газа, необходимо, чтобы эффективная площадь щели S_a отвечала вышеприведенному соотношению S_a/S_k~(m_е/М_i)^1/2. Вблизи поверхности катода формируется катодный слой пространственного заряда толщиной s, который отражает быстрые электроны. При использовании круглой апертуры толщиной слоя можно пренебречь, однако в длинной узкой щели влияние слоя оказывается существенным, поэтому эффективная ширина щелевой апертуры меньше ее геометрической ширины h на двойную толщину слоя, а условие для соотношения площадей будет иметь вид: (h-2s)/πD~(m_е/М_i)^1/2, где D - диаметр полого катода. В приведенном соотношении не учитывается площадь торцов катода, вклад которой в общую рабочую поверхность катода незначителен, если длина катода намного превышает его диаметр, что имеет место в рассматриваемом устройстве. Толщина катодного слоя определяется напряжением горения U и плотностью тока на катоде j и может быть определена из закона Чайлда-Ленгмюра, как

Поскольку распределение плотности плазмы в анодной полости в поперечном относительно щелевой апертуры направлении имеет максимум напротив щели, требуется обеспечить такое расстояние между щелью и плоскостью эмиттера, на котором за счет расходимости электронного потока неравномерность поперечного распределения плотности тока в плоскости эмиттера будет в пределах заданной величины. Чем меньше поперечный размер управляющей сетки Н и чем больше расстояние между щелью и управляющей сеткой Z, тем меньше будет степень неоднородности поперечного распределения, которая является функцией отношения H/Z. Дополнительным способом улучшения равномерности распределения является изменение прозрачности сетки в поперечном щели направлении.The inventive output aperture of the hollow cathode in the form of an extended gap allows the electron to be uniformly distributed along the length of the gap from the cathode cavity to the anode cavity and the formation of a plasma emitter of electrons of considerable length. In order to limit the escape of fast electrons from the cathode cavity and to maintain the discharge at low gas pressure, it is necessary that the effective area of the gap S _a corresponds to the above ratio S _a / S _k ~ (m _e / M _i ) ^1/2 . Near the cathode surface, a cathode space charge layer of thickness s is formed, which reflects fast electrons. When using a circular aperture, the layer thickness can be neglected, however, in a long narrow slit, the influence of the layer is significant, therefore, the effective width of the slot aperture is less than its geometric width h on the double layer thickness, and the condition for the area ratio will be: (h-2s) / πD ~ (m _e / M _i ) ^1/2 , where D is the diameter of the hollow cathode. The ratio does not take into account the area of the ends of the cathode, the contribution of which to the overall working surface of the cathode is insignificant if the length of the cathode is much greater than its diameter, which takes place in the device under consideration. The thickness of the cathode layer is determined by the burning voltage U and the current density at the cathode j and can be determined from the Child-Langmuir law, as

Since the distribution of the plasma density in the anode cavity in the transverse direction relative to the slot aperture has a maximum opposite to the slit, it is necessary to ensure such a distance between the slit and the emitter plane that, due to the divergence of the electron beam, the non-uniformity in the transverse distribution of the current density in the emitter plane will be within a given value. The smaller the transverse dimension of the control grid H and the greater the distance between the slit and the control grid Z, the smaller the degree of heterogeneity of the transverse distribution, which is a function of the H / Z ratio. An additional way to improve the uniformity of distribution is to change the transparency of the mesh in the transverse slit direction.

На чертеже представлена электродная система предложенного плазменного эмиттера электронов с большой поверхностью. Электродная система состоит из полого катода 1, установленного на его оси поджигающего электрода 3 в виде тонкой нити, анода 2 и управляющей сетки 4.The drawing shows the electrode system of the proposed plasma electron emitter with a large surface. The electrode system consists of a hollow cathode 1 mounted on its axis of the ignition electrode 3 in the form of a thin filament, anode 2 and a control grid 4.

Плазменный эмиттер работает следующим образом. После приложения между катодом 1, поджигающим электродом 3 и анодом 2 напряжения и подачи в катодную полость газа зажигается тлеющий разряд. Использование коаксиальной электродной системы с полым катодом и нитевым поджигающим электродом обеспечивает зажигание разряда при низких давлениях, при этом установившийся ток в цепи поджигающего электрода 3 незначителен, так как площадь этого электрода невелика по сравнению с площадью анода. Большая часть тока разряда через щель замыкается на анод. В анодной полости создается плазма. Управляющая сетка может иметь потенциал анода, либо на сетку может быть подан отрицательный относительно анода потенциал для управления величиной извлекаемого электронного тока или для полного запирания тока и формирования импульсов тока требуемой длительности. При подаче напряжения между управляющей сеткой 4 и коллектором пучка плазменная поверхность фиксируется в плоскости сетки, через отверстия в которой электроны извлекаются электрическим полем. Доля тока извлеченных электронов от тока разряда определяется размерами ячейки сетки, плотностью плазмы, напряженностью ускоряющего поля и обычно составляет 0,5-0,9.The plasma emitter operates as follows. After applying a voltage between the cathode 1, the ignition electrode 3 and the anode 2 and supplying gas to the cathode cavity, a glow discharge is ignited. The use of a coaxial electrode system with a hollow cathode and a thread ignition electrode provides ignition of the discharge at low pressures, while the steady-state current in the circuit of the ignition electrode 3 is insignificant, since the area of this electrode is small compared to the area of the anode. Most of the discharge current through the gap closes to the anode. Plasma is created in the anode cavity. The control grid can have the potential of the anode, or a negative potential relative to the anode can be applied to the grid to control the magnitude of the extracted electron current or to completely block the current and generate current pulses of the required duration. When voltage is applied between the control grid 4 and the beam collector, the plasma surface is fixed in the plane of the grid, through the holes in which the electrons are extracted by the electric field. The fraction of the current of the extracted electrons from the discharge current is determined by the dimensions of the grid cell, the plasma density, the intensity of the accelerating field and is usually 0.5-0.9.

Испытания опытного образца плазменного эмиттера электронов проводились с использованием полого катода диаметром 200 мм, длина катода была равна 400 мм. На боковой поверхности катода имелась щель длиной 350 и шириной 20 мм. Вдоль оси катода натягивалась вольфрамовая проволока 3 диаметром 0,3 мм, которая через резистор электрически соединялась с анодом 2. Поперечное сечение полого анода в плоскости, параллельной щели, имеет форму прямоугольника с размерами 200×400 мм. Управляющая сетка, имевшая те же размеры и изготовленная из нержавеющей стали с размером ячейки 0,6 мм, устанавливалась на расстоянии 100 мм от щели. Напротив сетки на расстоянии 10 мм был установлен коллектор, на который подавался положительный потенциал 2 кВ, обеспечивающий извлечение электронов из плазмы и их ускорение. В плоскости коллектора размещались зонды для измерения распределения плотности тока электронов по сечению пучка.Tests of a prototype plasma electron emitter were carried out using a hollow cathode with a diameter of 200 mm; the length of the cathode was 400 mm. On the lateral surface of the cathode, there was a gap with a length of 350 and a width of 20 mm. A tungsten wire 3 with a diameter of 0.3 mm was stretched along the cathode axis, which was electrically connected through the resistor to the anode 2. The cross section of the hollow anode in a plane parallel to the slit has the shape of a rectangle with dimensions of 200 × 400 mm. The control grid, which had the same dimensions and was made of stainless steel with a mesh size of 0.6 mm, was installed at a distance of 100 mm from the slit. A collector was installed at a distance of 10 mm opposite the grid, to which a positive potential of 2 kV was applied, which provided the extraction of electrons from the plasma and their acceleration. Probes for measuring the distribution of electron current density over the beam cross section were placed in the collector plane.

Испытания проводились в импульсно-периодическом режиме при токах разряда 1-10 А и длительности импульсов тока 1 мс. Минимальное рабочее давление аргона в анодной полости составляло 0,01 Па. Напряжение горения разряда составляло 350-800 В. При подаче ускоряющего напряжения в цепи коллектора протекал ток электронного пучка, который составлял 0,5-0,9 от тока разряда. Неоднородность продольного распределения плотности тока в пучке не превышала 0,2 на длине 200 мм, неравномерность поперечного распределения на длине 100 мм составляла 0,5, что связано с малым (100 мм) расстоянием между щелью и эмиссионным окном. При увеличении этого расстояния до 200 мм поперечный размер эмиттера может быть увеличен вдвое, либо примерно вдвое (до 0,25) уменьшена неоднородность распределения плотности эмиссионного тока на ширине 100 мм. Уменьшение прозрачности сетки в поперечном направлении от периферии к оси в 2 раза позволило получить неравномерность ~0,25 на длине 200 мм. При подаче на сетку запирающего потенциала до -200 В обеспечивалось формирование импульсов тока пучка длительностью 50 мкс с фронтом длительностью мкс.The tests were carried out in a pulse-periodic mode with discharge currents of 1-10 A and a duration of current pulses of 1 ms. The minimum working pressure of argon in the anode cavity was 0.01 Pa. The discharge burning voltage was 350-800 V. When an accelerating voltage was applied, an electron beam current flowed in the collector circuit, which was 0.5-0.9 of the discharge current. The nonuniformity of the longitudinal distribution of the current density in the beam did not exceed 0.2 over a length of 200 mm; the nonuniformity of the transverse distribution over a length of 100 mm was 0.5, which is associated with a small (100 mm) distance between the gap and the emission window. By increasing this distance to 200 mm, the transverse size of the emitter can be doubled, or the heterogeneity of the distribution of the density of the emission current over a width of 100 mm can be reduced by about half (up to 0.25). A decrease in the transparency of the grid in the transverse direction from the periphery to the axis by a factor of 2 made it possible to obtain a non-uniformity of ~ 0.25 over a length of 200 mm. When a blocking potential of -200 V was applied to the grid, beam current pulses with a duration of 50 μs and a front with a duration of μs were formed.

Использование предлагаемого плазменного эмиттера электронов в электронных ускорителях с большим сечением пучка обеспечит формирование протяженных однородных пучков большого прямоугольного сечения (доли м²) с током в единицы - сотни ампер в квазистационарном режиме, а при использовании сеточного управления возможна генерация импульсных пучков микросекундной длительности. Простота эксплуатации и высокая надежность электронного эмиттера, его некритичность к давлению газа обеспечат существенное улучшение эксплуатационные характеристик электронных ускорителей.The use of the proposed plasma electron emitter in electron accelerators with a large beam cross section will ensure the formation of extended uniform beams of large rectangular cross section (fractions m ² ) with a current of units of hundreds of amperes in a quasistationary mode, and when using grid control, microsecond pulse beams can be generated. Simplicity of operation and high reliability of the electronic emitter, its uncriticality to gas pressure will provide a significant improvement in the operational characteristics of electronic accelerators.

Источники информацииSources of information

1. Ю.А.Мельник, А.С.Метель, Г.Д.Ушаков. Многолучевой сильноточный инжектор квазинепрерывного режима с крупноструктурным сеточно-плазменным эмиттером электронов. Тезисы докладов 7 Всесоюзного симпозиума по сильноточной электронике, 1988, Томск, часть 1, с.113-115.1. Yu.A. Melnik, A.S. Metel, G.D. Ushakov. Quasi-continuous multi-beam high-current injector with a coarse-grained grid-plasma electron emitter. Abstracts of the 7th All-Union Symposium on High-Current Electronics, 1988, Tomsk, part 1, p.113-115.

2. А.С.Метель. Расширение рабочего диапазона давлений тлеющего разряда с полым катодом. ЖТФ, т.54, №2 (1984), с.241-247.2. A.S. Metel. Expansion of the working range of the pressure of the glow discharge with a hollow cathode. ZhTF, t.54, No. 2 (1984), p.241-247.

3. Патент 38310052 (США). Hollow Cathode Gas Discharge Device. R.C. Knechtli.3. Patent 38310052 (USA). Hollow Cathode Gas Discharge Device. R.C. Knechtli.

4. С.П.Бугаев, Ю.Е.Крейндель, П.М.Щанин. Электронные пучки большого сечения. М.: Энергоатомиздат, 1984, 110 с.4. S.P. Bugaev, Yu.E. Kreindel, P.M. Shchanin. Large-cross section electron beams. M .: Energoatomizdat, 1984, 110 p.

Claims

A gas-discharge plasma cathode, the electrode system of which contains a cylindrical hollow cathode with an exit aperture in the form of a slit, the axis of which is parallel to the cathode axis, igniting an electrode in the form of a thin filament stretched along the cathode axis, a control grid and an anode, characterized in that the anode is hollow, moreover the anode height, determined by the distance between the cathode aperture and the control grid, and the transverse size of the control grid are correlated as Z / H> 1, and the width of the cathode aperture is determined taking into account the thickness of the cathode layer ennogo charge as h ~ πD (m _e / M _i) ^1/2 + 2s, where H - the transverse dimension of the control grid; Z is the distance between the cathode aperture and the control grid; h is the width of the output aperture of the hollow cathode;

- the thickness of the cathode layer of the space charge; D is the diameter of the hollow cathode, U is the discharge burning voltage; j is the current density at the cathode; m _e , M _i are the mass of the electron and ion, respectively; ε ₀ is the dielectric constant, e is the electron charge.