Эл. почта

twinn_plasma@mail.ru

Телефон

+7 (499) 426-25-48

ruen

 


 
6. Универсальная отпаянная пушка ЭПА-016 с алмазным выводным окном.

 

ЭПА2

ЭПА

 

         Электронные отпаянные пушки и ускорители электронов с выводом высокоэнергетических электронов в атмосферу или иную газовую среду находят все большее применение в различных областях техники: полупроводниковой и квантовой электронике, биологии, медицине, металлургии, экологии и т.п.

 

         Вывод высокоэнергетического потока электронов из вакуумной области этих устройств наружу происхожит через тонкую вакуумно-плотную металлическую фольгу из титана, алюминия, бериллия (чаще всего применяется титановая фольга толщиной 30-50 мкм), при прохождении через которую электроны выделяют в ней часть своей энергии, что приводит к перегреву фольги, ограничивая среднюю плотность тока величиною ≈ 20 мкА/см2 (устройства, как правило, работают в импульсном режиме).

 

         Для повышения средней плотности тока до требуемых величин было предложено и разработано выводное окно на основе поликристаллического алмаза, позволяющее повысить среднюю плотность тока на порядок – до ≥ 1 мА/см2.

 

         Несомненное преимущество алмаза, по сравнению с материалами используемых фольг для выводных окон отпаянных электронных пушек, видно из данных, приведенных в таблице 1.

 

Таблица 1.

 

 Материал     λ, Вт/мК     Е, ГПа      α, 1/К 10-6      δпр, Мпа      ΔТ, К       q, Вт/см2  
 Титан    20   110    9    250   250   0
 Бериллий   200    300    13    300    70    140 
 Алюминий   240    70    23    50    30    72 
 Моно- или поликристаллический алмаз      20000    1000    1    500    500    10000 

 

 

            Условные обозначения: λ – теплопроводность, Е – модуль Юнга, α – коэффициент температурного расширения, δпр/αЕ – перепад температур для перехода материала в пластический режим (приемлемый перепад), q = α ΔТ – удельные нагрузки, создающие такой перепад температур вдоль поверхности окна на 1 см длин (градиент температуры, отвод тепла из периферии окна). Все характеристики приведены при комнатной температуре.

 

            Таким образом, потенциально алмаз как материал выводного окна существенно превосходит применяемые материалы по предельным тепловым нагрузкам, а следовательно, и по средней плотности тока.

 

            В качестве основы выводного окна используется диск из поликристаллического алмаза диаметром 60 мм и толщиной 1,5 мм.

 

            Для вывода электронов наружу алмазный диск выполнен с ячейками в виде глухих отверстий и равномерно распределённых внутри круга диаметром 50 мм. Толщина тонких областей в ячейках была выбрана из условия минимума потерь энергии электронов в них при сохранении вакуумной плотности кона и составила ≈ 30 мкм.

 

            Глубина проникновения в алмаз электронов с энергией Е = 150 кэВ составляет ≈ 100 мкм, т.е. потери в ячейках составляют ≈ 30 мкм.

 

            По технологическим соображениям, а также для большей эффективности использования площади окна было отдано предпочтение квадратной форме ячеек (3х3 мм и 3,5х3,5 мм при 1,5 мм перегородке между ячейками) по сравнению с круглой. Расчеты механических напряжений, возникающих в алмазном окне от внешнего атмосферного давления, показали, что максимальные напряжения возникают в ячейках, причём в их углах (до ≈ 340 Мпа), но при их закруглении с радиусов 0,2-0,3 мм напряжения падали до средних значений в массиве диска ≈ 80 Мпа.

 

            Меньшие механические напряжения в области ячеек возникают при ориентации алмазного окна гладкой стороной наружу относительно вакуумной области пушки.

 

            Алмазное окно позволяет потенциально увеличить среднюю плотность тока в 10-15 раз для электронных отпаянных пушек.

 

           Для экранировки заряда электронов, перехватываемых алмазных окном, его поверхность покрывают тонким токопроводящим слоем, например, графитом толщиной h > > Jp/4πU ≈ несколько мм.

 

           Основные узлы и блоки установки.

 

           Установка ЭПА-016 состоит из следующих узлов:

 

  1. Отпаянная электронная пушка с CVD-окном вывода электронов.
  2. Высоковольтный источник питания электронной пушки.
  3. Реакторная камера.
  4. Система вакуумной откачки.
  5. Система контроля и регулирования температуры подложки.
  6. Система газораспределения.
  7. Системы автоматизированного управления установкой.
  8. Система охлаждения.
  9. Система защиты от рентгеновского излучения.
  10. Блок вспомогательного электропитания.

 

         Отпаянная электронная пушка с частично прозрачным для электронов CVD-алмазным окном, имеющим фланец крепления с реакторной камерой, и позволяющей вводить электронный поток в пространство камеры.

 

         Характеристики электронной отпаянной пушки:

 

 

 

         Литература:

 

  1. Симонов К.Г. Электронные отпаянные пушки. М. Радио и Связь, 1985, 125 с.
  2. Патент РФ №2590891.
  3. Физические величины: Справочник / А.П. Бабичев, Н.А. Бабушкина и др. Под ред. И.С. Григорьева. – М., Энергоатомиздат, 1991. – 1232 с.