ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ОТПАЯННОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ ПУШКИ ДЛЯ ВЫВОДА ШИРОКОГО ЛЕНТОЧНОГО ЭЛЕКТРОННОГО ПОТОКА ИЗ ВАКУУМНОЙ ОБЛАСТИ ПУШКИ В АТМОСФЕРУ ИЛИ ИНУЮ ГАЗОВУЮ СРЕДУ

February 19, 2013 by admin Комментировать »

Голеницкий И. И., Духина Н. Г., Королев А. Н., Симонов К. Г. Федеральное государственное унитарное предприятие НПП «Исток» Вокзальная 2а, г. Фрязино, 141190, Россия факс: (095) 9749013, e-mail: istkor@elnet.msk.ru

Аннотация – Приведены результаты разработки элек- тронно-оптической системы отпаянной электронной пушки для вывода в атмосферу или иную газовую среду широкого ленточного электронного потока. В пушке используется ленточный катод размером 320×6 мм^, расположенный вблизи катода прямоугольный фокусирующий электрод с щелевыми отверстиями по краям его широких боковых стенок и анод в виде полой трубы прямоугольного сечения, торец которой закрыт массивной медной решеткой с закрепленной на ней титановой фольгой толщиной 20 мкм для вывода пучка из вакуумного объема пушки. Размер прямоугольного выпускного окна 320×40 мм^, импульсная величина катодного тока 25 А, ускоряющее напряжение 200 кВ. Форма электродов и межэлектродные расстояния оптимизированы с использованием метода компьютерного моделирования, что позволило обеспечить требуемую величину тока, облучение пучком ускоренных электронов всей поверхности выпускного окна и однородное распределение мощности дозы излучения за выпускным окном. Пушка предназначена для использования в технологических установках для радиационной обработки изделий и материалов пучками ускоренных электронов.

I.                                       Введение

Отпаянные электронные пушки формируют и выводят мощный широкий электронный поток с энергией электронов 200 кВ в атмосферу или иную газовую среду. Приоритет в области создания этого нового кпасса электровакуумных приборов принадлежит ФГУП НПП «Исток» [1, 2].

Отпаянные электронные пушки представляют собой разновидность ускорителя прямого действия, который откачан и герметизирован (отпаян) еще в процессе изготовления и в дальнейшем эксплуатируется без использования вакуумных насосов [3, 4].

Разработка отпаянных электронных пушек была стимулирована в связи с развитием перспективного научного направления по применению относительно низкоэнергетических (200 кВ) электронных пучков в промышленности, медицине, лазерной технике и других областях.

Низкоэнергетические электроны проникают в вещество на небольшие глубины (порядка 0.1 мм) и энергия электронного пучка практически полностью поглощается тонким слоем вещества, поэтому мощность поверхностной дозы облучения вещества достаточно высока даже при незначительных мощностях электронного пучка. В связи с этим применение отпаянных электронных пушек весьма эффективно в промышленности для высокопроизводительной радиационной обработки тонких полимерных материалов с целью улучшения их физико-химических свойств или получения новых материалов.

В медицине отпаянные электронные пушки могут быть использованы для поверхностной радиационной стерилизации медицинских изделий. Дозу 20 кГр, которая необходима для надежной стерилизации изделия, можно получить всего за 0.5 -1.0 сек. Поверхностная стерилизация весьма эффективна в случаях, когда обработка объекта на всю глубину просто вредна. К таким изделиям относятся, например, искусственные хрусталики глаза, вживляемые электроды, имплантируемые кардиостимуляторы и др.

В лазерной технике отпаянные электронные пушки могут найти применение при создании мощных электроионизационных лазеров и лазеров с накачкой электронными пучками.

В настоящей работе рассмотрена новая конструкция отпаянной электронной пушки с увеличенной поверхностью облучения с помощью широкого ленточного электронного потока и улучшенным качеством облучения по критерию однородности распределения мощности дозы облучения на обрабатываемой поверхности [5] Разработка проекта пушки проводилась с использованием метода компьютерного расчета трехмерных электронно-оптических систем.

II.                              Основная часть

Конструктивная схема пушки показана на Рис.1. Она содержит следующие основные элементы: ленточный катод, состоящий из расположенных в ряд элементарных ленточных катодов 1; держатель катодов 3; высоковольтный изолятор 4; первый фокусирующий электрод 5 со сквозным отверстием 6 и сквозными щелевыми отверстиями 7 на широких боковых стенках; второй фокусирующий электрод 8 со сквозным отверстием 9; корпус пушки 10; окно вывода электронов 11, установленное в торцевой части корпуса 10, выполненное в виде титановой фольги

12,   вакуумно-плотно соединенной с опорным основанием 13 в виде решетки со щелями 14 и перемычками 15; встроенный миниатюрный электроразряд- ный насос 16. Пунктиром 17,18 на

Рис. 1. схематически показаны границы ленточного электронного потока.

Размеры электродов и межэлектродных расстояний определялись методом компьютерного моделирования электронно-оптических систем с асимметричной конфигурацией электродов, формирующих мощные релятивистские электронные потоки [6]. Основные технические требования к пушке сводились к обеспечению нужной величины тока, полному облучению всей поверхности выходного окна и снижению перепада мощности дозы облучения на поверхности объекта в пределах площади выходного окна пушки.

В результате предварительных экспериментов с пушкой указанного типа было установлено, что для улучшения равномерности мощности дозы облучения на поверхности объекта необходимо обеспечить повышение плотности тока пучка по периметру выходного окна. Это достигалось с помощью продольных щелей, выполненных по краям двух широких боковых стенок первого фокусирующего электрода (Рис.2).

Положение и размеры щелей оптимизировались методом компьютерного моделирования [6].

Fig. 1. The draft of unsoldered electron gun

В пушке использовался ленточный катод длиной 320 мм и шириной 6 мм, анод с окном вывода электронов длиной 320 мм и шириной 40 мм, первый и второй фокусирующие электроды, электрически соединенные с катодом. В широкой боковой стенке трубы первого фокусирующего электрода были выполнены щели в форме сопряженных прямоугольника и трапеции. Длина щелей 80 мм, максимальная ширина щелей со стороны узких боковых сторон фокусирующего электрода 18 мм. Расстояние от излучающей поверхности катода до внутренней поверхности окна вывода электронов 180 мм.

Распределения плотности тока (Рис.З) представлены в виде поверхностей в декартовой системе координат XYZ (мм). Начало системы координат расположено в центре катода (окна вывода электронов), координата У направлена вдоль продольной оси катода (окна вывода), X – вдоль ширины катода (окна вывода), Z – вдоль оси пушки по направлению движения электронов.

Распределение плотности тока в средней области катода примерно в пределах площади 4×160 мм1 близко к равномерному, а ее величина составляет

0.         015 мм^ (Рис.За). На боковых кромках катода плотность тока максимальна и составляет примерно

0.      02 А / мм^, затем она плавно спадает по направлению к центру катода на осевой длине, близкой к осевой длине щели. Аналогичный характер имеет распределение плотности тока на внутренней поверхности окна вывода электронов с тем отличием, что в связи с расширением ленточного потока до размера ширины окна вывода (40 мм) средняя величина плотности тока в центральной области окна вывода составляет 0.0015 А / мм^. Максимальная плотность тока на боковых краях окна вывода составляет примерно 0.0025 мм^ (Рис.ЗЬ).

Puc. 2. Конфигурация первого фокусирующего электрода с боковыми продольными щелями.

Fig. 2. Design of the first focusing electrode with side longitudinal slots

Ь)

Рис. 3. Результаты компьютерного моделирования плотности тока на катоде (а) и на внутренней поверхности окна вывода (Ь).

Fig. 3. Results of CAD of current density on cathode (a) and on internal surface of the output window (b)

Общий вид пушки показан на Рис.4.

Рис.4. Внешний вид электронной отпаянной пушки.

Fig.4. Appearance of unsoldered electron gun

Проведенные измерения мощности дозы облучения на поверхности объекта (Рис.5) подтвердили ожидаемое улучшение качества облучения и эффективность работы пушки.

IV.                                  Заключение

Предложенная электронно-оптическая система отпаянной электронной пушки формирует широкий ленточный электронный поток с равномерным распределением мощности дозы облучения на объекте. Она энергетически выгодна и может применяться при создании новых компактных установок для радиационной обработки изделий и материалов пучками ускоренных электронов.

Рис. 5. Экспериментальные кривые распределения нормированной плотности тока вдоль окна вывода электронов в зоне облучения объекта пушкой со ш,елями в боковых стенках фокусируюш,его электрода (кривая 1) и без ш,елей (кривая 2).

Fig. 5. Distribution of normalized current density along electron output window In the zone of object radiation by the gun with slots In side walls of the focusing electrode (cun/e 1) and without slots (cun/e 2)

V.                                     Литература

[1]  Simonov к. G., Sealed-off electron guns / Editor

N. D. Devyatkov. = M. Radio I Svyaz, 1985. – 128p.

[2]  Korolev A., Simonov Κ., A new class of small-sizen sealed- off electron guns providing a broad electron beam. Electron. Techn., ser.1, no. 2, pp.9 – 16, 2003, Electronica SVCH

[3]  Korolev A., Simonov Κ., Pirozheni<o V. New type seald-off accelerators of 200 keV electron beam if Proceedings of EPAG 2000, Paris, France. – P. 2769- 2771.

[4] Pirozheni<o V. M, Korolev A. N., Simonov Κ., G. Compact 200 keV electron beam system if Proceedings of the 2001 Particle Accelerator Conference, Chikago, 2001. – P. 663-665.

[5] RF Patent № 2267830. Sealed-off electron gun for transmitting ribbon electron beam from the vacuum region of the gun into atmosphere or some othe gas medium. I. I. Golenitskij, A. N. Korolev, K. G. Simonov. Published 10.01.2006 in Bulletin № 01, priority of June 30. 2004.

[6] Goienitsi<iji. i, Dukhina N. G., Kanevsky. E. i. A comprehensive computation of 3D optoelectronic and magnetic focusing systems. Electron. Techn., ser.1, no.2, pp.55 – 6, 2003, Electronica SVCH.

UNSOLDERED ELECTRON GUN FOR TRANSMITTING BROAD RIBBON ELECTRON BEAM FROM VACUUM REGION OF THE GUN INTO THE ATMOSPHERE OR OTHER GAS MEDIUM

I.                         I. Golenitskij, N. G Dukhina,

A. N. Korolyov, K. G. Simonov Federal state unitary enterprize «Istok» Vokzalnaja, 2a, Fryazino, 141190, Russia Fax: (095) 4658686, e-mail: lstkor@elnet.msk.ru

Abstract – Presented in this paper are the results of unsoldered electron gun design for transmitting broad ribbon electron beam into the atmosphere or other gas medium. The gun uses ribbon cathode 320 x 6 mm^, rectangular focusing electrode located near the cathode with slot holes on the edges of its wide side walls and anode as a hollow tube with rectangular cross- section, whose end is closed with a massive copper grid with 20 μm titanium foil fixed on it in order to transmit the beam from vacuum volume of the gun. The size of rectangular output window is 320 X 40 mm^, cathode current pulse power is 25 A, accelerating voltage is 200 kV. The electrode shape and interelectrode spacings have been optimized using CAD, which allowed providing required current, homogeneous irradiation of the whole output window and homogeneous distribution of radiation doze behind the output window. The gun is designed to be used in technological installations for radiation processing of products and materials by beams of accelerated electrons.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты