Способ увеличения плотности субнаносекундного электронного пучка

Изобретение относится к области генерирования пучков заряженных частиц и может быть использовано при исследовании взаимодействия потоков заряженных частиц с веществом, в квантовой электронике, катодолюминесцентном анализе, плазмохимии и других областях. Способ увеличения плотности субнаносекундного электронного пучка заключается в том, что в газовом разряде, в газонаполненном промежутке между электродами зажигают объемный импульсный высоковольтный разряд при пониженных давлениях газа Р: P_min≤P<300 Торр, где Р_min - минимальное давление газа, при котором длительность тока пучка не превышает ˜0,25 нс. Технический результат: изменение давления газа в указанных пределах позволяет плавно менять длительность импульса тока пучка от 0,1 до 0,25 нс. Максимальные величины плотности тока и тока пучка составили соответственно ˜2,2 кА/см² и ˜1 кА. 1 ил.

 

Изобретение относится к области генерирования пучков заряженных частиц и может быть использовано при исследовании взаимодействия потоков заряженных частиц с веществом, в квантовой электронике, катодолюминесцентном анализе, плазмохимии и других областях.

Известен способ получения электронного пучка в газовом разряде [1], заключающийся в том, что на газоразрядный промежуток подают наносекундные импульсы высокого напряжения (до 160-180 кВ) с длительностью переднего фронта не более 1 нс. В качестве катода используются вольфрамовые стрежни с полусферической рабочей поверхностью (радиус кривизны 3-7 мм), а анодом служит алюминиевая фольга толщиной 8-15 мкм. При этом формируется объемный импульсный разряд, а за фольгой регистрируется поток высокоэнергетичных электронов, возникающий в прикатодной области разряда. Основным недостатком данного способа является то, что поток быстрых электронов формируется в условиях высокой напряженности электрического поля, достаточной для перехода низкоэнергетичных электронов разряда в режим убегания. Это требует высоких разрядных напряжений. Кроме того, амплитуда тока пучка быстрых электронов не превышает ˜160 А.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому способу, взятому нами за прототип, является способ получения субнаносекундного электронного пучка [2]. Способ заключается в том, что в газонаполненном промежутке между электродами реализуют объемный импульсный высоковольтный разряд с формированием в нем субнаносекундного (˜0,3 нс) электронного пучка. Разряд осуществляется при давлении газа от 300 Торр и выше. Электронный пучок формируется на стадии пробоя при достижении в части промежутка расположенной между анодом и фронтом распространяющейся от катода к аноду плазмы, при напряженности электрического поля, достаточной для формирования потока убегающих электронов. При этом плазма разряда, движущаяся от анода к катоду, образуется за счет предыонизации промежутка быстрыми электронами, появляющимися за счет усиления поля на катоде, а также на катодных плазменных образованиях. Недостатком способа по прототипу является невысокая величина плотности тока пучка (не более десятков А/см²).

Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение плотности тока и тока пучка при сохранении субнаносекундной длительности импульса тока пучка.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе получения электронного пучка, заключающемся в том, что в газонаполненном промежутке между электродами реализуют объемный импульсный высоковольтный разряд с последующим формированием в нем субнаносекундного электронного пучка, согласно изобретению, формирование электронного пучка в разряде осуществляют при пониженном давлении газа

P_min≤Р<300 Торр,

где P_min - минимальное давление газа, при котором длительность тока пучка не превышает ˜0,25 нс.

Это обеспечивает существенное увеличение (для гелия с ˜8 до ˜2200 А/см²) плотности тока пучка при сохранении субнаносекундной длительности импульса тока пучка на полувысоте (для гелия длительность импульса тока пучка увеличивается с ˜120 пс до ˜250 пс). При этом давление газа Р не должно быть меньше давления (P_min), при котором наблюдается заметное увеличение длительности импульса тока пучка. Величина P_min зависит от используемого газа и составляет ˜20-40 Торр для гелия. Понижение давления газа также обеспечивает уменьшение энергетических потерь электронов пучка вследствие уменьшения частоты столкновений электронов пучка с атомами или молекулами газа. При этом для сохранения субнаносекундной длительности импульса тока пучка электронов (˜0.1-0.25 нс) давление газа Р не должно быть менее P_min, поскольку при Р<P_min изменяется характер протекания разряда, что приводит к формированию электронного пучка с длительностью в несколько наносекунд, характерной для формирования электронного пучка в вакуумном диоде [3].

Примеры исследования функциональной способности предлагаемого технического решения. Эксперименты проводились с использованием газового диода, катодом которого служила трубка из стальной фольги толщиной 50 мкм и диаметром ˜6 мм. Вывод электронного пучка осуществлялся через фольгу из AlBe, анода толщиной 45 мкм. За фольгой из AlBe в экспериментах с большими токами устанавливалась медная фольга толщиной 250 мкм с отверстием диаметром 0.56 мм на оси газового диода. Ток пучка выводился через это отверстие, что позволяло уменьшить амплитуду сигнала на коллекторе и измерять плотности тока пучка в режимах с большими амплитудами тока пучка. Расстояние между анодом и катодом во всех экспериментах равнялось 14 мм. В качестве источника импульсного напряжения использовался генератор РАДАН-220, формировавший импульсы напряжения с амплитудой ˜220 кВ, длительностью импульса на полувысоте ˜2 нс и временем нарастания ˜0.5 нс [3]. Ток пучка электронов измерялся с помощью коллектора. Коллектор состоял из металлического конуса, образующего с корпусом линию с волновым сопротивлением 50 Ом. Линия соединялась с коаксиальным кабелем, также имеющим волновое сопротивление 50 Ом. Основание конуса, обращенное к фольге, имело диаметр 20 мм. Для регистрации сигналов с коллектора использовался цифровой осциллограф TDS6604 (6 ГГц, 20 Гс/с). Применялись широкополосный коаксиальный кабель и аттенюаторы 142-NM фирмы Barth Electronics с полосой пропускания 30 ГГц. Разрешение системы регистрации достигало 0.06 нс. Газовый диод откачивался форвакуумным насосом и заполнялся различными газами. Зависимости амплитуды тока пучка от давления газа были сняты в гелии, водороде, неоне, азоте, аргоне, метане, элегазе, криптоне и ксеноне. Во всех газах при давлении 250-760 Торр были получены электронные пучки с длительностью ˜0.1 нс. При уменьшении давления во всех газах было зарегистрировано увеличение амплитуды тока пучка электронов за фольгой. Давления, при которых увеличивалась амплитуда тока пучка, зависели от сорта газа. Это давление было максимально для гелия и убывало в следующей последовательности используемых газов: водород, неон, азот, аргон, метан, элегаз, криптон и ксенон.

На чертеже приведена зависимость максимальной плотности тока пучка (J), регистрируемая коллектором, и длительность импульса тока на полувысоте (τ_1/2) для гелия. Видно, что максимальная плотность тока пучка >2 кА/см² была получена при давлении гелия ˜23 Торр. Длительность импульса на полувысоте при этом составила ˜0.25 нс. Амплитуда тока пучка при низком давлении гелия превышала ˜1 kA. При дальнейшем уменьшении давления гелия амплитуда тока пучка начинала уменьшаться, а при давлении менее 1 Торр режим работы диода соответствовал режиму работы вакуумного диода с большим зазором. Кроме того, из чертежа видно, что изменением давления газа можно регулировать в некоторых пределах длительность импульса тока пучка.

Источники информации, использованные при составлении заявки:

1. Л.В.Тарасова, Л.Н.Худякова, Т.В.Лойко, В.А.Цукерман. / Быстрые электроны и рентгеновское излучение наносекундных импульсных разрядов в газах при давлениях 0,1-760 Topp // Журнал технической физики, 1974, Т.XLIV, В.3, с.564-568.

2. С.Б.Алексеев, В.М.Орловский, В.Ф.Тарасенко. Патент RU № 2244361, опубликован 10.01.2005 в БИ № 1.

3. Ф.Я.Загулов, А.С.Котов, В.Г.Шпак, Я.Я.Юрике, М.И.Яландин. / РАДАН - малогабаритный импульсно-периодический сильноточный ускоритель электронов // ПТЭ, 1989, № 2, с.146-149.

Способ увеличения плотности субнаносекундного электронного пучка в газовом разряде, заключающийся в том, что в газонаполненном промежутке между электродами реализуют объемный импульсный высоковольтный разряд с последующим формированием в нем субнаносекундного электронного пучка, отличающийся тем, что формирование электронного пучка в разряде осуществляют при давлении газа: Р_min≤Р<300 Торр, где P_min - минимальное давление газа, при котором длительность тока пучка не превышает ˜0,25 нс.