способ получения электронного пучка и устройство для его осуществления (варианты)

Формула изобретения

1. Способ получения электронного пучка, заключающийся в том, что путем подачи напряжения питания между катодом и анодом зажигают высоковольтный разряд в газоразрядной ячейке, и в промежуток между катодом и анодом осуществляют дополнительный приток ионов, причем дополнительный приток ионов между катодом и анодом обеспечивают дополнительной ионизацией газа вспомогательным электронным пучком, электроны которого ускоряют в сильном поле высоковольтного разряда, отличающийся тем, что вспомогательный электронный пучок формируют по периметру поверхности катода с внутренней стенки кольцевого электрода.

2. Устройство для получения электронного пучка, содержащее катод и анод, размещенные в газоразрядной ячейке, и высоковольтный источник питания, который подсоединен к катоду и аноду, отличающееся тем, что на внутренней поверхности катода выполнен кольцевой электрод, с внутренней стенки которого формируют вспомогательный электронный пучок.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что плоская часть кольцевого электрода со стороны анода для уменьшения тока разряда на нее прикрыта диэлектрической пластиной с отверстием, совпадающим по диаметру с внутренним диаметром кольцевого электрода.

4. Устройство для получения электронного пучка, содержащее катод и анод, размещенные в газоразрядной ячейке, и высоковольтный источник питания, который подсоединен к катоду и аноду, отличающееся тем, что со стороны внутренней поверхности катода выполнен кольцевой электрод, отделенный от катода диэлектрической пластиной с отверстием, совпадающим по диаметру с внутренним диаметром кольцевого электрода, причем кольцевой электрод электрически подсоединен к катоду.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что плоская часть кольцевого электрода со стороны анода для уменьшения тока разряда на нее прикрыта диэлектрической пластиной с отверстием, совпадающим по диаметру с внутренним диаметром кольцевого электрода.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электронике и может быть использовано в физической электронике, квантовой электронике, плазмохимии, диагностических измерениях.

Известен способ получения электронного пучка [Денисов С.С., Успенский Н.А., Федяков В.П. // Электрофизическая аппаратура. М: Энергоатомиздат, № 20, с.80-82, 1982], заключающийся в том, что путем подачи напряжения между катодом и анодом зажигают высоковольтный разряд в газоразрядной ячейке и в промежуток между катодом и анодом осуществляют дополнительный приток ионов, которым обеспечивают дополнительную эмиссию электронов с катода, которые ускоряют в сильном поле этого высоковольтного разряда, при этом используют анод в виде решетки (решетчатый анод) и тем самым обеспечивают провисание электрического поля за решетчатый анод, а дополнительный приток ионов получают с помощью ионизации газа за решетчатым анодом вспомогательным электронным пучком и направлением полученных там ионов в промежуток анод-катод с помощью провисшего в решетчатый анод электрического поля. Для вспомогательного электронного пучка используют отдельный высоковольтный источник питания. Для высоковольтного разряда между катодом и анодом обеспечивают протекание разряда в несамостоятельной форме. Ускоренные электроны, стартующие с поверхности катода в виде пучка, извлекают через решетчатый анод и фольгу, которую располагают за анодом и областью действия вспомогательного электронного пучка. Электронный пучок, проникший через фольгу, используют по назначению.

Недостатки этого способа получения электронного пучка: для реализации способа требуется относительно сложная конструкция устройства, в том числе наличие двух независимых источников питания. Основные недостатки способа - малая величина рабочего давления газа ~0.01 Торра и малый ток пучка 200 мкА/см². Устройство работает в условиях несамостоятельного разряда между катодом и анодом, т.е. когда без вспомогательного электронного пучка в нем реализуется чрезвычайно малый предпробойный ток. При большем давлении способ перестает работать из-за перехода разряда в самостоятельный разряд, когда резко уменьшается провисание электрического поля за решетчатый анод, из-за формирования анодной плазмы с пониженной величиной электрического поля в ней.

Известно устройство [Денисов С.С., Успенский Н.А., Федяков В.П. // Электрофизическая аппаратура. М: Энергоатомиздат, № 20, с.80-82, 1982], реализующее данный способ, содержащее высоковольтный источник питания и размещенные в газоразрядной ячейке катод и анод, при этом анод представляет собой решетку (решетчатый анод), что обеспечивает провисание электрического поля за решетчатый анод, а дополнительный приток ионов в промежуток анод-катод обеспечивается ионизацией газа за решетчатым анодом вспомогательным электронным пучком и направлением полученных там ионов в промежуток анод-катод с помощью провисшего в решетчатый анод электрического поля. Для вспомогательного электронного пучка используется отдельный высоковольтный источник питания. Для высоковольтного разряда между катодом и анодом используется протекание разряда в несамостоятельной форме. Ускоренные электроны, стартующие с поверхности катода в виде пучка, поступают через фольгу, расположенную за анодом и областью действия вспомогательного электронного пучка, на объект облучения.

Недостатки этого устройства - относительно сложная конструкция устройства, в том числе наличие двух независимых источников питания. Основные недостатки устройства - малая величина рабочего давления газа ~0.01 Торра и малый ток пучка 200 мкА/см². Устройство работает в условиях несамостоятельного разряда между катодом и анодом, т.е. когда без вспомогательного электронного пучка в нем реализуется чрезвычайно малый предпробойный ток. При большем давлении устройство перестает работать из-за перехода разряда в самостоятельный разряд, когда резко уменьшается провисание электрического поля за решетчатый анод с пониженной величиной электрического поля в ней.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ получения электронного пучка [Сорокин А.Р. // ПЖТФ, т.33, № 9, с.70-78, 2007], заключающийся в том, что путем подачи напряжения питания между катодом и анодом зажигают высоковольтный разряд в газоразрядной ячейке, и в промежуток между катодом и анодом осуществляют дополнительный приток ионов, которым обеспечивают дополнительную эмиссию электронов с катода, которые ускоряют в сильном поле этого высоковольтного разряда, при этом дополнительный приток ионов между катодом и анодом обеспечивают дополнительной ионизацией газа вдоль поверхности катода вспомогательным электронным пучком, который формируют в сильном электрическом поле у входа в катодную полость, для одной из стенок которой используют часть металлической плоской поверхности дна катода с выступом, а для другой стенки используют диэлектрическую пластину с отверстием, которой прикрывают выступ катода и часть поверхности дна катода, а вспомогательный электронный пучок распространяют над поверхностью дна катода открытой отверстием - D в диэлектрической пластине. Для эмиттера электронов вспомогательного электронного пучка используют катодную плазму, которую формируют в катодной полости. Единый высоковольтный разряд используют одновременно для получения вспомогательного электронного пучка и для ускорения электронов пучка в сторону анода.

Основной недостаток этого способа получения электронного пучка - ограниченный диапазон рабочих давлений, который зависит от расстояния между металлической и диэлектрической стенками катодной полости, определяющего условия формирования катодной плазмы в катодной полости. Для фиксированного значения расстояния между металлической и диэлектрической стенками катодной полости в режиме разряда с дополнительным притоком ионов в промежуток между катодом и анодом (режим сильноточного электронного пучка) верхний предел рабочего давления обусловлен исчезновением сильного электрического поля у входа в катодную полость и, следовательно, вспомогательного электронного пучка, из-за смыкания анодной плазмы с катодной плазмой в катодной полости, плотность которой резко возрастает, а нижний - с резким (скачкообразным по давлению) падением интенсивности вспомогательного электронного пучка. Для повышения рабочего давления требуется уменьшать расстояние между металлической и диэлектрической стенками катодной полости, а для меньших давлений требуется увеличить расстояние между металлической и диэлектрической стенками катодной полости, т.е. в обоих случаях требуется вносить изменения в конструкцию устройства. Кроме того, при малом расстоянии между металлической и диэлектрической стенками катодной полости приходится снижать напряжение питания, из-за формирования искрового пробоя со дна катода на кромку отверстия диэлектрической пластины и далее на анод.

Известно устройство [Сорокин А.Р. // ПЖТФ, т.33, № 9, с.70-78, 2007], реализующее данный способ, содержащее высоковольтный источник питания и размещенные в газоразрядной ячейке катод и анод, при этом дополнительный приток ионов между катодом и анодом обеспечивается дополнительной ионизацией газа вдоль поверхности катода вспомогательным электронным пучком, который формируется в сильном электрическом поле у входа в катодную полость, одной из стенок которой служит часть металлической плоской поверхности дна катода с выступом, а другой стенкой служит диэлектрическая пластина с отверстием, которая прикрывает выступ катода и часть поверхности дна катода, а вспомогательный электронный пучок распространяется над поверхностью дна катода открытой отверстием в диэлектрической пластине. Для эмиттера электронов вспомогательного электронного пучка служит катодная плазма, которая формируется в катодной полости. Единый высоковольтный разряд служит одновременно для получения вспомогательного электронного пучка и для ускорения электронов сильноточного электронного пучка в сторону анода.

Основной недостаток этого устройства - ограниченный диапазон рабочих давлений, который зависит от расстояния между металлической и диэлектрической стенками катодной полости, определяющего условия формирования катодной плазмы в катодной полости. Для фиксированного значения расстояния между металлической и диэлектрической стенками катодной полости в режиме разряда с дополнительным притоком ионов в промежуток между катодом и анодом верхний предел рабочего давления обусловлен исчезновением сильного электрического поля у входа в катодную полость и, следовательно, вспомогательного электронного пучка, из-за смыкания анодной плазмы с катодной плазмой в катодной полости, плотность которой резко возрастает, а нижний - с резким (скачкообразным по давлению) падением интенсивности вспомогательного электронного пучка. Так, для расстояния между металлической и диэлектрической стенками катодной полости 0.5 мм область давлений, когда существует сильноточный широкоапертурный - D=22 мм электронный пучок, рабочее давление составляет - р 2.2-20 Торр. Для повышения рабочего давления требуется уменьшать расстояние между металлической и диэлектрической стенками катодной полости, а для меньших давлений требуется увеличить расстояние между металлической и диэлектрической стенками катодной полости, т.е. в обоих случаях вносить изменения в конструкцию устройства. Кроме того, при малом расстоянии между металлической и диэлектрической стенками катодной полости приходится снижать напряжение питания, из-за формирования искрового пробоя со дна катода на кромку отверстия диэлектрической пластины и далее на анод.

Техническим результатом изобретения является расширение диапазона рабочего давления газа без внесения изменений в конструкцию устройства, а также обеспечение повышенной устойчивости разряда по отношению к искрообразованию. Для этого вспомогательный электронный пучок, которым осуществляют дополнительную ионизацию газа вдоль поверхности катода, формируют по периметру поверхности катода с внутренней поверхности кольцевого электрода. Отсутствие катодной полости и связанными с ней ограничениями позволили, в частности, работать в более широком диапазоне рабочих давлений, до десятков Торр, без внесения изменений в конструкцию устройства. Ток сильноточного электронного пучка до порядка величины превышает, например, полный ток в устройствах на эквивалентном (напряжение - U, давление - p газа и сечение - S электронного пучка - фиксированы) аномальном разряде.

Технический результат в предлагаемом способе получения электронного пучка достигается тем, что путем подачи напряжения питания между катодом и анодом зажигают высоковольтный разряд в газоразрядной ячейке, и в промежуток между катодом и анодом осуществляют дополнительный приток ионов, причем дополнительный приток ионов между катодом и анодом обеспечивают дополнительной ионизацией газа вспомогательным электронным пучком, электроны которого ускоряют в сильном поле высоковольтного разряда, при этом вспомогательный электронный пучок формируют по периметру поверхности катода с внутренней стенки кольцевого электрода.

Технический результат достигается в устройстве для получения электронного пучка, содержащем катод и анод, размещенные в газоразрядной ячейке, и высоковольтный источник питания, который подсоединен к катоду и аноду, при этом на внутренней поверхности катода выполнен кольцевой электрод, с внутренней стенки которого формируют вспомогательный электронный пучок.

Кроме того, технический результат достигается тем, что в предыдущем устройстве дополнительно плоская часть кольцевого электрода со стороны анода для уменьшения тока разряда на нее прикрыта диэлектрической пластиной с отверстием, совпадающим по диаметру с внутренним диаметром кольцевого электрода.

Кроме того, технический результат достигается тем, что в устройстве для получения электронного пучка, содержащем катод и анод, размещенные в газоразрядной ячейке, и высоковольтный источник питания, который подсоединен к катоду и аноду, при этом со стороны внутренней поверхности катода выполнен кольцевой электрод, отделенный от катода диэлектрической пластиной с отверстием, совпадающим по диаметру с внутренним диаметром кольцевого электрода, причем кольцевой электрод электрически подсоединен к катоду.

Кроме того, технический результат достигается тем, что в предыдущем устройстве дополнительно плоская часть кольцевого электрода со стороны анода для уменьшения тока разряда на нее прикрыта диэлектрической пластиной с отверстием, совпадающим по диаметру с внутренним диаметром кольцевого электрода.

Сущность предложенного изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми чертежами.

На фиг.1 приведена схема предлагаемого устройства, в котором кольцевой электрод составляет единое целое с катодом. На фиг.2 изображен вариант предлагаемого устройства, представленного на фиг.1, совместно со схемой измерений параметров разряда. На фиг.3 изображен вариант предлагаемого устройства, в котором плоская часть кольцевого электрода со стороны анода прикрыта диэлектрической пластиной с отверстием. На фиг.4 изображен вариант предлагаемого устройства, в котором кольцевой электрод, электрически подсоединенный к катоду, отделен от катода диэлектрической пластиной с отверстием. На фиг.5 изображен вариант предлагаемого устройства, в котором кольцевой электрод, электрически подсоединенный к катоду, отделен от катода диэлектрической пластиной с отверстием, а плоская часть кольцевого электрода со стороны анода прикрыта другой диэлектрической пластиной с отверстием. На фиг.6 приведен пример осциллограмм напряжения и токов разряда в гелии давлением p=7 Торр для устройства, представленного на фиг.2. На фиг.7 приведен пример осциллограмм напряжения и токов разряда в гелии давлением p=6.5 Торр для устройства, представленного на фиг.5.

На чертежах показаны: 1 - высоковольтный источник питания; 2 - катод; 3 - кольцевой электрод толщиной - с внутренним - D и внешним - D диаметрами; 4 - анод; 5 - сетчатый анод; d - длина разрядного промежутка; 6 - коллектор; L_d - область дрейфа электронного пучка; R1, R2 - резистивный делитель для измерения напряжения; R3 - сопротивление для измерений полного тока или тока коллектора в зависимости от положения переключателя - 7; 8 - диэлектрическая пластина с отверстием, прикрывающая плоскую часть кольцевого электрода - 3; 9 - диэлектрическая пластина с отверстием, разделяющая катод - 2 с кольцевым электродом - 3; 10, 11, 12 - осциллограммы напряжения - U, тока коллектора - j_c, умноженного на 5.8, и полного тока - j, иллюстрирующие разряд в гелии давлением p_He=7 Торр для устройства, фиг.2, D=23 мм, D =34 мм, d=14.2 мм, L_d=5.8 мм, =4 мм, сетчатый анод - 5 с геометрической прозрачностью = 0.56 и с отверстиями - 0.5 мм; 13, 14, 15 - осциллограммы напряжения, тока коллектора, умноженного на 2, и полного тока, иллюстрирующие разряд в гелии давлением p_He=6.5 Торр для устройства, фиг.5, D=22 мм, d=14.2 мм, L_d=5.2 мм, =4 мм, толщина стеклянной пластины, разделяющей катод с кольцевым электродом - 1 мм, а толщина кварцевой пластины, прикрывающей плоскую часть кольцевого электрода - 3 мм.

Рассмотрим особенности формирования электронных пучков в тлеющих разрядах различного типа в их сравнении с особенностями для предлагаемого способа.

В работе [Сорокин А.Р. // ПЖТФ, т.33, № 9, с.70-78, 2007] предложен широкоапертурный разряд с давлением газа до десятков Тор, в котором реализован режим, назовем его сильноточным, когда ток его электронного пучка - j_EB превышает полный ток - j_AD эквивалентного (напряжение питания - U и давление - p фиксированы) аномального разряда =j_EB/j_AD>1 до порядка величины. Ясно, что в самом аномальном разряде ток его пучка составляет лишь часть j_AD. В гелии:

где U_cf - катодное падение потенциала (КПП). Оценить j_AD можно заменой U _cf на U. В известных источниках электронных пучков (ЭП) сильноточный режим реализуется в разрядах с катодной плазмой, т.е. когда эмиттером электронов пучка служит граница этой плазмы.

В настоящее время широко используются источники с >1, в которых катодную плазму формируют с помощью отдельного низковольтного разряда, в том числе в низковольтном разряде с полым катодом. Все они низкого давления: с широкоапертурным пучком до p~0.01 Торр, а с пучком малой апертуры до p~0.1 Торр. В них электроны пучка извлекают из катодной плазмы через сетчатый электрод или через электрод с отверстием и ускоряют отдельным несамостоятельным высоковольтным разрядом, т.е. в условиях пренебрежимо малой ионизации в нем, чем и ограничивается предельная величина рабочего давления, как и в аналоге. Работа источников при больших р расширяет возможности их использования, и исследования в этом направлении не теряют своей актуальности.

В других источниках с катодной плазмой и >1 используется высоковольтный разряд с полым катодом, в котором область сильного, ускоряющего электроны, поля примыкает к входу в катодную металлическую полость, а эмиттером служит плазма в полости. Однако в них с увеличением апертуры D, давления или напряжения питания разряд становится неустойчивым. Формируется положительный столб с распространением его на всю область между анодом и катодом. Анодная плазма смыкается с плазмой в катодной полости, плотность которой резко возрастает, и разряд переходит в низковольтную форму с ростом тока на порядки без ЭП. Например, в режиме с >1 и D<1 см высоковольтная форма сохранялась до p~0.01 Торр. Разряд с полым катодом обладает большой склонностью к переходу в низковольтный режим, и в настоящее время для источников ЭП стал ограниченно использоваться и исследоваться в высоковольтной форме. Основная причина, ограничивающая предельные параметры источников на разряде с полым катодом, связана с формированием слишком плотной плазмы в металлической катодной полости, и ускоряющее электроны пучка сильное поле, из-за общего падения сопротивления разряда, не в состоянии удержаться перед входом в полость.

В источнике ЭП, принятом за прототип [Сорокин А.Р. // ПЖТФ, т.33, № 9, с.70-78, 2007], рабочее давление газа увеличено за счет относительного понижения плотности катодной плазмы заменой одной из стенок катодной полости диэлектрической пластиной. Для формирования же широкоапертурного ЭП пучок, сформированный перед входом в катодную полость, использован как вспомогательный - ЭП1. ЭП1, распространяясь над поверхностью части катода (она является продолжением металлической стенки катодной полости) открытой отверстием D в диэлектрической пластине, служащей второй стенкой полости, дополнительно ионизует газ. Токи полный - j и основного пучка - j_EB в сторону анода возрастают. В сочетании с эффектом понижения эмиссии электронов для вспомогательного пучка из катодной плазмы это позволило на порядки расширить возможности сильноточного источника в целом, в частности, работать до давлений в десятки Торр. Вспомогательный и основной пучки формируются от единого импульса питания, подаваемого на электроды катод-анод. В отличие от известных источников сильноточных ЭП в предложенной в прототипе конструкции разделены условия работы источника при повышенных давлениях, - определяются размером ширины катодной полости (расстояние между металлической и диэлектрической стенками полости), и условия формирования широкоапертурного пучка, - определяются размером отверстия D в диэлектрической пластине. Величина апертуры D основного сильноточного пучка сверху ограничена длиной L пробега электронов вспомогательного пучка ЭП1 над поверхностью открытой части катода, которая, очевидно, должна быть D/2. Определить длину пробега электронов - L с энергией eU_e=(100-10⁴)eV можно по формуле:

Для пробега электронов в разряде - заменой в (2) U_e на U_cf, а оценить - заменой U_e на U.

Для фиксированного значения в сильноточном режиме разряда на анод верхний предел рабочего давления обусловлен переходом разряда, формирующего пучок ЭП1, в низковольтный режим с исчезновением ЭП1, а нижний - с резким (скачкообразным по давлению) падением интенсивности ЭП1. Для повышения рабочего давления требуется уменьшать , что для малых приводит к паразитному искровому пробою со дна катода на кромку отверстия D в диэлектрической пластине и далее на анод. Напряжение питания приходится снижать, чем и ограничивается верхняя граница р.

Таким образом, диапазон рабочих давлений в прототипе зависит от величины , определяющей условия формирования плазмы в катодной полости. Так, для =0.5 мм область давлений, когда существует сильноточный ( 1) широкоапертурный D=22 мм электронный пучок, - р 2.2-20 Торр. Причем для p=20 Торр напряжение горения разряда с пучком продолжительностью t_EB=600 нс, из-за начала искрения, не должно было превышать 1 кВ, когда =1. Для сильноточного пучка при меньших давлениях требовалось увеличить .

В предлагаемом способе получения электронного пучка вспомогательный пучок ЭП1 формируется по периметру поверхности катода с внутренней поверхности кольцевого электрода толщиной - по законам традиционного тлеющего разряда одновременно с основным ЭП (в прототипе сильноточному режиму разряда мог предшествовать обычный тлеющий разряд на время формирования плазмы в катодной полости) и распространяется над остальной, плоской частью катода, дополнительно ионизуя газ, чем достигается >1 для основного ЭП. Отсутствие катодной полости (удалена диэлектрическая стенка полости) и связанными с ней ограничениями позволили, в частности, работать в более широком диапазоне рабочих давлений без внесения изменений в конструкцию устройства. Единый высоковольтный разряд от одного высоковольтного источника используют одновременно для получения вспомогательного электронного пучка и для ускорения электронов сильноточного пучка в сторону анода.

Рассмотрим, как предложенный способ получения электронного пучка реализуется в предложенных устройствах, представленных на фиг.2-5.

В опытах для определения тока ЭП - j_EB часть его - j_c направлялась на коллектор через сетчатый анод прозрачностью µ=0.56, расположенный на расстоянии d от поверхности катода, так что j_EB =j_c/µ. Отверстия в сетчатом аноде 0.5 мм. Коллектор размещался на расстоянии L_d (область дрейфа ЭП) от сетки. Размер D определял апертуру основного сильноточного ЭП в сторону анода. Эффективность формирования основного пучка определялась с учетом µ:

где j - полный ток разряда.

Кроме параметра введем параметр _j=j/j_AD, характеризующий превышение полного тока разряда над j_AD. Бóльший ток j представляет интерес для практических применений, например, для возбуждения обычных газоразрядных лазеров, требующих высокого уровня накачки. Для реализации более высоких токов длина разрядного промежутка - d выбиралась больше длины области катодного падения потенциала - l_cf для аномального разряда:

Для d<l_cf эффект увеличения токов разряда в предложенном способе также будет присутствовать, но в этом случае эти токи следует сравнивать не с j_AD , а с меньшими токами, которые реализуются в традиционном высоковольтном разряде со слабым искажением электрического поля в разрядном промежутке. Поскольку длина пробега L электронов пучка растет с уменьшением p, то при малых p для повышения степени ионизации газа пучком ЭП1 при небольших D следует использовать не слишком высокие U. Для больших напряжений следует увеличивать D, например, до L~D, когда на длине своего пробега электроны ЭП1 большую часть своей энергии затратят на ионизацию газа. Все опыты проводились с гелием в устройствах с цилиндрическими электродами. С протяженными электродами можно получать ленточные ЭП.

В опытах с устройством, фиг.2, для небольшого давления р=1 Торр геометрические размеры элементов газоразрядной ячейки были следующими: D=23 мм, D=29.5 мм, d=30 мм, L_d=14 мм, =4 мм. Площади интересующих нас поверхностей электродов составили: для дна катода - S=4.15 см², для внутренней поверхности кольцевого электрода - S_w=2.9 см² , для плоской поверхности кольцевого электрода - S_r =2.45 см². Параметры разряда, возбуждаемого прямоугольным импульсом с U=2.23 кВ, получились следующими: j_EB=0.1 А/см², j=0.24 А/см², =6.6, _j=8.8, =0.75. Ток ЭП отнесен к площади S+S_r, а полного тока к S+S_w+S_r. Очевидно, в области разряда сечением D, где присутствует эффект увеличения токов разряда, параметры , _j будут выше, чем усредненные по бóльшим сечениям.

Для большего давления - р=7 Торр использовалось устройство, фиг.2, с иными размерами: D=23 мм, D=34 мм, d=14.2 мм, L_d=5.8 мм, =4 мм, S=4.15 см², S_w=2.9 см ², S_r=2.45 см². Параметры разряда, фиг.6, в момент, отмеченный вертикальной линией, когда U=1.25 кВ, получились следующими: j_EB=0.75 А/см² , j=4.9 А/см², =3.1, _j=20.4, =0.15. По расчету для обычного аномального разряда [Сорокин А.Р. // ПЖТФ, т.26, № 24, с.89-94, 2000], если принять U_cf=U, параметр должен быть - =0.44. Существенное уменьшение по сравнению с расчетным значением произошло из-за перераспределения потенциала по длине промежутка d, приводящего к реальному уменьшению U_cf и к увеличению падения потенциала на положительном столбе разряда. Поскольку эффективность определяется величиной U_cf, то уменьшается одновременно с U_cf. Наиболее резко - при малых U_cf, когда резко падает эффективность эмиссии от бомбардировки катода быстрыми атомами, возникающими в процессах перезарядки положительных ионов. Оценки с заменой U_cf на U справедливы, когда d не намного, например, в несколько раз, превышает длину l_cf области катодного падения потенциала. В представленном случае l_cf=0.7 мм <<d=14.2 мм. По этой же причине ток j_AD, определенный по (1), с заменой U_cf на U оказался завышенным, а параметр заниженным. В опытах с меньшей толщиной кольцевого электрода - =1.5 мм параметр уменьшился примерно пропорционально .

С устройством, фиг.3, когда токами на поверхность S_r, прикрытую диэлектрической пластиной - 8, можно пренебречь, в сходных с только что рассмотренным случаем условиях разряда, параметр , как и следовало ожидать, повысился и составил =7.8.

Во всех разобранных случаях электроны пучка ЭП1 внедряются в область КПП у части поверхности катода сечением D и тем самым, ионизуя там газ, уменьшают число перезарядок ионов в КПП и число быстрых атомов, бомбардирующих катод. Параметры и снижаются. Чтобы избежать этого предложено устройство, фиг.5, в котором диэлектрическая пластина - 9 служит для того, чтобы отделить ЭП1 от области КПП. Толщина диэлектрической пластины - 9 должна быть >l_cf.

В опытах при давления р=6.5 Торр с устройством, фиг.5, геометрические размеры элементов газоразрядной ячейки были следующими: D=22 мм, d=14.2 мм, L_d=5.2 мм, =4 мм, диэлектрическая пластина - 9 толщиной 1 мм. Параметры разряда, фиг.7, в момент, отмеченный вертикальной линией, когда U=1.5 кВ, получились следующими: =10.7, _j=23, =0.47. По расчету для обычного аномального разряда и U _cf=U, параметр должен быть - =0.49. Для p=50 Торр, когда - l_cf=0.1 мм: =0.05, _j=2.2, =0.02, U=1.25 кВ. Кроме возросшего влияния эффекта перераспределения потенциала по длине промежутка d, дополнительное снижение параметров произошло, поскольку лишь малая часть пучка достигает коллектора - длина пробега электронов ЭП к коллектору по (2) с заменой U _e на U, что в данном случае существенно завышает L, получается L=7.7<d+L_d=19.4 мм. До середины D не доходит и пучок ЭП1. В этом случае оптимальным будет промежуток d меньшего размера, когда при том же U повыситься U_cf.

Неустойчивость разряда для предложенного способа, ограничивающая диапазон рабочих U, p, связана с переходом разряда в искру. Искрение может возникать по трем причинам: для устройства, фиг.1, 2, 4, из-за развития искры по поверхности диэлектрической стенки газоразрядной ячейки с места контакта кольцевого электрода - 3 с диэлектрической стенкой газоразрядной ячейки на анод - 4 или 5; для устройств, фиг.3, 5, неустойчивость развивается с кольцевого электрода - 3 на кромку отверстия в диэлектрической пластине - 8 и далее на анод - 4 или 5. Третий вид неустойчивости для всех устройств, фиг.1-5, - искра напрямую с катода на анод - типичная неустойчивость тлеющего разряда в целом в отсутствие паразитных краевых эффектов. Первый тип неустойчивости проявляет себя при меньших значениях U, р. Вторая и третья причины появления неустойчивости могут иметь одинаковое значение.

Параметры зависят от сорта газа, его давления, напряжения питания, материалов катода, кольцевого электрода и диэлектрических пластин. В опытах использовался дюралевые катод и кольцевой электрод, диэлектрическая пластина - 9 из стекла, а диэлектрическая пластина - 8 из кварца. Во всех устройствах, если ЭП используется совместно с разрядом в промежутке d, анод сплошной - 4. Если ЭП используется вне разряда в области - L_d дрейфа ЭП, анод сетчатый - 5.

Устройство, фиг.1, 2, содержит: катод - 2 и анод - 4 или 5, которые образуют разрядный промежуток - d, кольцевой электрод - 3 с внутренним и внешним диаметрами соответственно D и D. Все эти элементы помещены в единую газоразрядную ячейку. Устройства, фиг.3, 5 дополнительно содержат диэлектрическую пластину - 8 с отверстием, равным D. Устройства, фиг.4, 5, дополнительно содержат еще и диэлектрическую пластину - 9 с отверстием, равным D, а катод электрически соединен с кольцевым электродом. Высоковольтный источник питания - 1 подсоединяют к катоду - 2 и аноду - 4 или 5. Коллектор - 6, переключатель - 7 и сопротивления R1, R2, R3 не являются элементами устройств и служат для измерений параметров разряда.

Предложенные устройства работают следующим образом. Газоразрядную ячейку заполняют рабочим газом. Путем подачи напряжения от высоковольтного источника питания - 1 на катод - 2 и анод - 4 (или на сетчатый анод - 5) зажигают разряд в промежутке d. В результате по периметру поверхности катода - 2 с внутренней поверхности кольцевого электрода - 3 формируется электронный пучок, который распространяется над частью поверхности катода - 2 сечением D, вызывая дополнительную ионизацию газа, и в сторону анода - 4 (или сетчатого анода - 5) от поверхности катода распространяется сильноточный электронный пучок, используемый в области d (или за сетчатым анодом) по назначению.

Использование предлагаемого изобретения, в сравнении с прототипом, позволяет снять ряд ограничений, связанных с наличием катодной полости. Отсутствие катодной полости и связанных с ней принципиальных ограничений позволили, в частности, работать в более широком диапазоне рабочих давлений, до десятков Торр, без внесения изменений в конструкцию устройства. Являясь более универсальным устройством, чем устройство прототипа, в нем дополнительно можно регулировать параметры разряда, но уже изменением элементов в катодном узле. Так, изменяя толщину кольцевого электрода , можно регулировать интенсивность дополнительной ионизации газа и, следовательно, токи разряда. Для повышения эффективности формирования ЭП можно кольцевой электрод отделить от остальной части катода диэлектрической пластиной, так чтобы ЭП1 не внедрялся в область катодного падения потенциала основного разряда. В предложенных устройствах, фиг.3, 5, обеспечивается более высокая стабильность разряда по отношению к искрообразованию, чем в прототипе. Работа устройств в квазистационарных условиях возбуждения разряда позволяет заключить о возможности его перевода в непрерывный режим.