Способ получения электронного пучка

 

Изобретение относится к области генерирования пучков ускоренных заряженных частиц и может быть использовано в квантовой электронике, плазмохимии и т.п. Техническим результатом при создании данного изобретения является увеличение числа и энергии электронов пучка, времени существования пучка и давления, при котором происходит разряд, формирующий пучок. В газонаполненном промежутке между электродами осуществляют объемный импульсный разряд. Формирование электронного пучка осуществляется путем лавинного размножения начального элек-тронного пучка в разряде при давлении порядка атмосферного с разрядным током, значение которого выбирают из условия обеспечения компенсации объемного заряда, образующегося в разряде при развитии электронных лавин, а напряженность электрического поля выбирают из условия превышения порогового значения, необходимого для развития лавин убегающих электронов.

Изобретение относится к области генерирования пучков заряженных частиц и может быть использовано в квантовой электронике, плазмохимии и т.п.

Известен способ получения электронного пучка в газовом разряде [1]. Способ заключается в том, что в газонаполненном промежутке между электродами осуществляют объемный импульсный высоковольтный разряд при атмосферном давлении, в котором формируется пучок убегающих электронов (УЭ). Пучок возникает в прикатодной области разряда. Этот тип разряда реализуется в режиме высоких перенапряжений, т. е. разрядное напряжение в промежутке во много раз превышает напряжение статического пробоя. Электрическое поле в разрядном промежутке неоднородно и значительно большее вблизи катода. В прикатодной области отношение напряженности поля к давлению газа E/P сравнимо с максимумом потерь энергии (≈ 270 кВ/(см·атм) для воздуха при нормальных условиях). В таком поле происходит переход низкоэнергетических электронов разряда в режим убегания, в результате чего они, ускоряясь, покидают прикатодную область, и происходит формирование пучка высокоэнергетических электронов.

Недостатком известного способа получения электронного пучка является то, что формирование пучка высокоэнергетичных электронов происходит за счет убегания низкоэнергетичных электронов газоразрядной плазмы в условиях больших значений E/P или (E/N), где P - давление, а N - плотность газа. Поскольку разряд происходит при атмосферном давлении, то большое значение E/P достигается за счет высоких перенапряжений. Это требует высоких разрядных напряжений U, длительность импульсного разряда ограничена наносекундами, а длина разрядного промежутка d - несколькими сантиметрами.

Наиболее близким к заявляемому является способ получения электронного пучка [2]. Способ заключается в том, что в газонаполненном промежутке между электродами осуществляют объемный импульсный высоковольтный разряд с формированием в нем электронного пучка. Разряд осуществляется при давлении порядка 500 Па при более чем двукратном перенапряжении. Для формирования электронного пучка за счет затягивания перехода объемного разряда в сильноточную стадию во время разрядного импульса направляют на катод световой поток от внешнего источника.

Недостатками способа по прототипу являются ограниченная энергия электронов и короткое время существования пучка (≈ 40 нс) при высоком уровне вклада энергии в электрический разряд. Ограничение по энергии электронов связано с применением разряда пониженного давления, который существует слишком малое время в промежутке сантиметрового диапазона.

При создании данного изобретения решалась задача генерации высокоэнергетичного (сотни кэВ) электронного пучка.

Техническим результатом при решении данной задачи является увеличение энергии электронов, времени существования пучка (т.е. длительности импульса) и давления, при котором происходит разряд.

Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным способом получения электронного пучка, заключающимся в том, что в газонаполненном промежутке между электродами осуществляют объемный импульсный высоковольтный разряд с формированием в нем электронного пучка, новым является то, что формирование электронного пучка осуществляется путем лавинного размножения начального электронного пучка в разряде при давлении порядка атмосферного с разрядным током, значение которого выбирают из условия обеспечения компенсации объемного заряда, возникающего в разряде при развитии электронных лавин, а напряженность электрического поля выбирают из условия превышения порогового значения, необходимого для развития лавин убегающих электронов.

Способ основан на теории возникновения лавины убегающих электронов (ЛУЭ) в достаточно сильных электрических полях. Механизм возникновения ЛУЭ предложен А. В. Гуревичем и Русселем-Дюпре (Kinetic theory of runaway air breakdown. R. A. Roussel-Dupre, A.V. Gurevich, T. Tunnell, G.H. Milikh - in: Physical Review E, vol. 49, N 3, 1994, p. 2257-2271) для объяснения атмосферных электрических разрядов во время грозы. В работах этих авторов рассмотрена возможность развития ЛУЭ в поле грозового облака. Этот же механизм образования ЛЭУ положен в основу заявляемого способа получения высокоэнергетичных электронов. Предполагается, что начальные убегающие электроды образуются либо в результате процессов в самом разряде, либо инжектируются в разрядную область извне. В электрическом поле разряда происходит лавинное размножение начальных убегающих электронов и формируется пучок высокоэнергетичных электронов. Напряженность поля и длина разрядного промежутка должны быть достаточно велики для развития лавины.

Однако сам по себе механизм образования ЛУЭ во внешнем электрическом поле не достаточен для формирования электронного пучка. Так как убегающие электроны покидают разрядную область, то в разряде накапливается положительный объемный заряд, который препятствует развитию лавины. В отличие от работ Руссель-Дюпре и Гуревича в заявляемом способе существенно то, что ЛУЭ развивается не просто в электрическом поле, а в газовом разряде. Протекание газоразрядного тока способно компенсировать объемный заряд. В поле без разряда компенсации не происходит и заряд накапливается, прекращая процесс ускорения высокоэнергетичного компонента вторичных электронов. Разрядный ток I_р должен быть достаточно большим для компенсации объемного заряда, а именно, I_р ≥ I_к - I_о, где I_к - конечный, а I_о - начальный ток пучка.

В области усиления тока убегающих электронов должно быть обеспечено протекание разрядного тока, способного компенсировать разность тока убегающих электронов на выходе и входе области усиления и тем самым предотвращающего образование объемного заряда. Энергия, получаемая пучком электронов от электрического поля, идет в основном на увеличение числа убегающих электронов в пучке, т. е. усиление тока пучка, а при обычных ускорительных процессах получаемая энергия идет на увеличение энергии электронов пучка.

Напряженность электрического поля E определяется соотношением E/P = δ (E/P)_кр. Здесь P - давление газа в разрядном промежутке, а δ - коэффициент > 2. Величина e(E/P)_кр равна минимальному значению силы сопротивления, действующей на убегающие электроны в данном газе со стороны атомов и молекул. Минимум реализуется в области энергий электронов в окрестности 1 МэВ и является фундаментальной атомарной характеристикой данного газа. Коэффициент δ характеризует величину "перенапряжения" относительно минимума. Падение напряжения в области усиления U = E · L, где L - длина области усиления тока убегающих электронов, должно превосходить /е, где - средняя энергия электронов пучка, e - заряд электрона (для воздуха = 0,6-1,5 МэВ). Время генерации пучка ограничено длительностью импульса инжектированных электронов и(или) развитием неустойчивости объемного разряда.

Коэффициент усиления тока пучка η = I_к/I_о должен быть η ≥ 2 для компенсации рассеяния электронов.

Величины η, P, E, L связаны между собой соотношением η = exp(L/l_e(E, P)), где l_e - длина, на которой пучок усиливается в e = 2,72 раз. Величина l_e определяется давлением, составом газа и средней напряженностью поля в области ускорения.

Перечисленные требования позволяют определить технические параметры, реализующие предложенный способ получения электронного пучка. Его осуществляют, например, следующим образом.

В газонаполненном, например, воздушном промежутке длиной L порядка 1 м между электродами при атмосферном давлении осуществляют объемный импульсный разряд. Запитку осуществляют от генератора импульсного напряжения ≈ 1-2 МэВ с длительностью импульса 1 мкс. Электроды могут быть плоскопараллельными сетками или сплошными пластинами. Начальный электронный пучок инжектируют в газонаполненный промежуток, например, от импульсного ускорителя электронов. Пусть между электродами реализуется перенапряжение δ = 5. Так как в воздухе при атмосферном давлении критическая величина напряженности поля равна E_кр = 2,2 кВ/см, то этой величине δ соответствует напряженность поля E = δE_кр= 11 кВ/см. Предположим, что энергия электронов в пучке, инжектируемом в промежуток, равна 500 кэВ. На основании дифференциального сечения ионизации можно показать, что при δ = 5 этой энергии соответствует l_e = 1,5 м. Выберем расстояние между электродами L = l_e. Тогда ожидаемое усиление пучка η = 2,72, а напряжение, которое необходимо реализовать на промежутке, равно EL = 1,65 МВ. При заданных параметрах и начальном токе пучка I_о ≈ 1 кА выходной ток I_к≈ ηI₀≈ 2,72 кА. Следовательно, генератор высокого напряжения должен обеспечить разрядный ток I_р > I_к - I_о ≈ 1,72 кА. В данном конкретном примере средняя энергия электронов в пучке составляет сотни кэВ, а время генерации пучка ограничено скорее всего длительностью импульса инжектированных электронов.

Таким образом, по сравнению с прототипом в заявляемом способе получения электронного пучка энергия пучка достигает сотен кэВ, в то время как у прототипа она ограничена и составляет 3,5-4 кэВ. Увеличено время существования пучка с 40 нс до микросекунд и более, а давление газа в разрядном промежутке с 500 Па до 10⁵ Па (1 атм).

Для повышения эффективности возможно секционирование разрядного промежутка, а также положение внешнего магнитного поля, направленного вдоль разрядного промежутка. Формируемый пучок может либо выводиться из разряда, либо использоваться в самом разрядном промежутке (например, для возбуждения активной среды газового лазера или инициирования плазмохимических процессов).

Формула изобретения

Способ получения электронного пучка, заключающийся в том, что в газонаполненном промежутке между электродами осуществляют объемный импульсный высоковольтный разряд с формированием в нем электронного пучка, отличающийся тем, что формирование пучка осуществляют путем лавинного размножения начального электронного пучка в разряде при давлении порядка атмосферного с разрядным током, значение которого выбирают из условия обеспечения компенсации положительного объемного заряда, возникающего в разряде в результате развития электронных лавин, а напряженность электрического поля выбирают из условия превышения порогового значения, необходимого для развития лавин убегающих электронов.