Введение к работе
Актуальность темы. Работа посвящена исследованию формирования и фокусировки интенсивных электронных пучков в электронно-оптической системе с плазменным эмиттером и направлена на создание электронных источников, формирующих остросфокусированные пучки с высокой плотностью мощности.
Остросфокусированные электронные пучки традиционно создаются источниками с накаленным катодом. В этих источниках из-за низких значений тепловых скоростей электронов теоретически могут быть достигнуты высокие плотности токов. В то же время, учитывая, что малые значения тепловых скоростей электронов обеспечиваются низкой температурой термокатода, не всегда удается достичь требуемой мощности пучков из-за низкой эмиссионной способности термокатода. Необходимая мощность при ограниченной эмиссионной способности термокатода достигается путем увеличения ускоряющего напряжения. Однако на этом пути существуют ограничения, связанные с тем, что при напряжениях более 80-100кВ усложняется оборудование, требуется применение специальных мер защиты персонала.
Другой способ решения проблемы - использование электронных источников с плазменным эмиттером. Считалось, что область применения таких источников ограничена из-за проблем получения пучков с плотностью мощности более 10 Вт/см . Это связывалось с относительно высокой температурой электронов в плазменных эмиттерах. Однако детальные исследования в этом направлении не проводились. В тоже время растущий спрос на остросфокусированные электронные пучки стимулировал работы по созданию совершенно нового класса источников электронов с плазменным эмиттером. Эти источники могут быть применены как в традиционных вакуумных электронно-лучевых технологиях, так и в условиях, при которых повышенные требования к геометрическим размерам электронного пучка становятся определяющими. Это могут быть, например, Electron Beam Melting и Electron Beam Drilling, а так же технологии, связанные с использованием газодинамических систем вывода пучков в атмосферу или газ повышенного давления.
Таким образом, тематика диссертационной работы, направленная на создание электронных источников с новыми, не достигавшимися ранее, параметрами, представляется актуальной.
Цель работы состояла в проведении исследований процессов формирования и фокусировки пучка в электронно-оптической системе с плазменным эмиттером, создании источника электронов для получения остросфокусирован-ного электронного пучка с плотностью мощности не менее 10 Вт/см .
Научная новизна работы заключается в том, что впервые: 1. Выполнены комплексные исследования процессов формирования и фокусировки пучков в электронно-оптической системе плазменного источника электронов на основе отражательного разряда с полым катодом.
Определены главные особенности электронно-оптической системы с плазменным эмиттером, отличающие процессы формирования и фокусировки пучков в ней от систем с накаленным катодом.
Показано, что совокупное действие проникающего в электронно-оптическую систему магнитного поля отражательного разряда и поля основной фокусирующей линзы может быть аналогично действию двухлинзовой магнитной фокусирующей системы.
Научная и практическая ценность работы.
Разработаны рекомендации по организации оптимальных условий откачки газа, напускаемого в разрядную камеру и конфигурации магнитного поля отражательного разряда в области формирования пучка плазменного источника электронов для получения остросфокусированных пучков.
Оптимизирована магнитная цепь для работы плазменного источника электронов в условиях интенсивной тепловой нагрузки на элементы разрядной камеры.
Создан плазменный источник электронов, обеспечивающий формирование непрерывного остросфокусированного электронного пучка с плотностью мощности более 10 Вт/см .
Достоверность и обоснованность результатов диссертационной работы подтверждаются удовлетворительным совпадением экспериментальных и расчетных зависимостей, систематическим характером исследований, использованием независимых дублирующих экспериментальных и расчетных методик, практической реализацией научных положений и выводов в конкретных разработках, используемых как в промышленности, так и для проведения научных исследований.
На защиту выносятся следующие научные положения:
Поперечные размеры электронного пучка, генерируемого плазменным источником на основе отражательного разряда с полым катодом, можно эффективно ограничить проникающим в область формирования пучка магнитным полем отражательного разряда. Наиболее полно такой эффект реализуется в электронно-оптической системе с полностью неэкранированным от магнитного поля плазменным эмиттером.
Ширина энергетического спектра сфокусированного электронного пучка, генерируемого в плазменном источнике на основе отражательного разряда с полым катодом, определяется, в основном, наличием в эмиссионном токе заметной доли быстрых электронов, ускоренных в катодном слое разрядного промежутка, и в меньшей степени связана с температурой плазменных электронов или ионизацией газа в промежутке ускорения.
В плазменном источнике электронов на основе отражательного разряда с полым катодом увеличение давления газа обуславливает, с одной стороны, сужение энергетического спектра электронного пучка в результате уменьшения доли быстрых электронов в пучке, с другой - расширение спектра за счет электронов, образованных в ускоряющем промежутке. При достижении некоторого порогового значения давления влияние первого фактора становится преобла-
дающим и таким образом обеспечивается более качественная фокусировка электронного пучка.
4. Оптимизация газовых условий и конфигурации магнитного поля в плазменном источнике электронов на основе отражательного разряда с полым катодом обеспечивает при ускоряющем напряжении уровня 50кВ генерацию непрерывного остросфокусированного электронного пучка с плотностью мощ-ности более 10 Вт/см .
Апробация. Результаты работ докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-технической конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР» (Томск, Россия, 2007 г.), 10-й международной конференции по плазме газового разряда и её применению (Томск, Россия, 2007г.), 4-й международной научно-практической конференции «Электронные средства и системы управления. Опыт инновационного развития» (Томск, Россия, 2007г.), 17-й международной конференции по пучкам заряженный частиц (Beams'08) (Сиань, Китай, 2008), 9-й международной конференции по электронно-лучевым технологиям (ЕВТ'09) (Варна, Болгария, 2009г.), 3-м международном Крейнделевском семинаре «Плазменная эмиссионная электроника» (г. Улан-Удэ, Республика Бурятия, 2009), 6-й международной конференции «Лучевые технологи и применение лазеров» (г. Санкт-Петербург, Россия, 2009).
Результаты диссертационной работы использованы при создании реальных конструкций источников с плазменным эмиттером. Эти источники используются в промышленности и для научных исследований:
на Чепецком механическом заводе корпорации «ТВЭЛ» (ОАО «ЧМЗ», г. Глазов) в технологическом цикле заварки и дегазации заготовок для промышленного производства сверхпроводящих материалов обмоток соленоидов термоядерного реактора в рамках программы ИТЭР;
в Объединенном институте высоких температур РАН (г. Москва) для исследования свойств пылевой плазмы;
в Новосибирском государственном университете для проведения исследований свойств импульсных сверхзвуковых газовых струй.
Личный вклад автора состоит в создании экспериментальной установки, выборе методик экспериментов, проведении исследований, анализе и обобщении их результатов. Автором самостоятельно выдвинуты защищаемые научные положения, сделаны выводы и даны рекомендации по внедрению результатов работы в реальную конструкцию плазменного источника электронов. Обсуждение задач исследований, методов их решения и результатов анализа экспериментальных данных проводились совместно с соавторами, фамилии которых указаны в опубликованных по теме диссертации работах.
Публикации. По результатам исследований по теме диссертации опубликованы 13 работ, включая 3 статьи в изданиях, входящих в Перечень ВАК, 8 полных текстов докладов на международных конференциях.
Структура диссертации. Диссертация содержит 142 страницы машинописного текста, 60 иллюстраций, список цитируемой литературы из 107 наименований и состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений.
