Электронные пушки, работающие в режиме постоянного тока

В настоящее время электронные пучки с энергией электронов от десятков до сотен кэВ находят применение в технологических и исследовательских процессах, где необходимо термическое, а также, радиационно-химическое воздействие на материалы.

Основная задача электронной пушки заключается в формировании интенсивного электронного пучка определенной конфигурации с заданными значениями тока и энергии.

Нашим коллективом созданы источники пучков энергичных электронов для испытания материалов и устройств в вакууме.
Данные пучки могут также применяться для модификации и анализа поверхности, получения функциональных  покрытий, полимеризации, очистки,  стерилизации, сварки,  спекания и наплавки, размерной обработки и т.д.

В основе конструкции лежат следующие принципы:

• высококачественный катодный узел из LaB₆ с косвенным нагревом электронами позволяет точно контролировать температуру катода, предотвращая его перегрев,  обеспечивает дополнительный контроль тока пучка;
• предусмотрена защита от разрушения контактирующих деталей и изменения состава
  LaB₆, что существенно увеличивает ресурс катода;
• катод монтируется со стороны анода, без необходимости отсоединения питания;
• высокая однородность плотности тока на поверхности катода LaB₆ позволяет добиться изначально заданной конфигурации пучка.

Оптимизация на базе компьютерного моделирования геометрии электродов позволяет сохранять низкую расходимость и стабильность пучка в широком диапазоне токов и энергий, управлять траекторией заряженных частиц с использованием специальной методики расчёта.
В зависимости от задачи используется запирающий электрод либо вытягивающий (ускоряющий).

Конструкция удобная для обслуживания, разборки, все материалы совместимы с высоким вакуумом, нержавеющая сталь, медь, молибден, тантал, вольфрам, Al₂O₃ керамика.

Ток и энергия пучка плавно регулируются. Возможно исполнение с контролем тока пучка по внешнему коллектору, например проволочному, перед облучаемым объектом.

Разработаны варианты источников со следующими диапазонами параметров:

1. Энергия 0-30 кэВ, ток пучка 0-20 мА
2. Энергия 0-50 кэВ, ток пучка 0-20 мА
3. Энергия 0-100 кэВ, ток пучка 0-3 мА
4. Энергия 0-300 кэВ, ток пучка 0-3 мА

Наружная высоковольтная изоляция выбирается в зависимости от задачи по согласованию с заказчиком – воздушная изоляция, элегаз или трансформаторное масло.

Хочется отметить, что качество пучка в диапазонах 10-100 кэВ и 70-300 кэВ гарантировано за счёт оптимизации электродов и общего конструкционного решения.

Другие диапазоны параметров, работу в импульсном режиме и другие варианты исполнения также могут быть реализованы.

Основное отличие предлагаемой нами разработки заключается в том, что существующие промышленные электронные пушки, в основном, генерируют  импульсные   электронные  потоки, а также  рассчитаны на малое количество определённых значений, в то время как мы  можем задавать широкий диапазон значений тока и энергии пучка, а также обеспечивать низкую расходимость и однородность.

Разработанные нами источники позволяют создавать мощные, но недорогие и  компактные установки по облучению образцов и устройств в вакууме. Настольные установки до 50 кВ - для лабораторий. Большие установки с источниками до 300 кВ - для испытания оборудования.

Простота конструкции и использования в сочетании с низкой стоимостью изготовления делают данную разработку высокотехнологичной.

Текущая стадия развития:  Изготовлены установки для испытания диэлектрических материалов, источники для облучения 100 кэВ электронами материалов и 300 кэВ- оборудования, установка для температурных испытаний электроники. Требуется отработка серийных установок для длительной работы.

Области применения и перспективы:  авиакосмическая, атомная, электронная, медицинская промышленности, приборостроение, станкостроение, радиационная очистка промышленных отходов,   модифицирование и обработка полимеров,  полупроводниковых материалов, кристаллов;  3-d прототипирование (конструирование наноструктурных слоёв), ускорители заряженных частиц  и многие другие.

Так, к примеру, изначальным поводом для разработки являлась задача повышения надёжности электронных и электро-физических устройств в космосе. Известно, что при электрическом пробое диэлектриков электромагнитные помехи могут дестабилизировать работу электронного оборудования и приборов авиационно-космических комплексов. В условиях космического полёта инициированные электроразрядные  явления под  воздействием высокоэнергетических ионизирующих излучений, солнечных вспышек  и радиационных поясов Земли, в конечном  итоге, приводят к разрушению диэлектрических материалов.[1]

Интерес также представляет проведение ускоренных ресурсных испытаний солнечных батарей космических аппаратов.
Регистрирующая аппаратура, управляющая электроника, ионные и плазменные двигатели спутников подвергаются в вакууме нагреву или охлаждению, облучению УФ, электронами, рентгеном и др.

В целом, испытание материалов и устройств в условиях имитации космического пространства является важнейшей  задачей космического материаловедения.

1. Акишин А.И. Космическое материаловедение. Методическое и учебное пособие.–М: НИИЯФ МГУ, 2007, с. 209