+7 (499) 426-25-48
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. (Патент РФ 2647487).
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 окна и составила 50-60 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 выводное 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.
Основные узлы и блоки установки.
Установка ЭПА-016 состоит из следующих узлов:
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: