Генератор затравочных электронов

УДК 621.384.65

ГЕНЕРАТОР ЗАТРАВОЧНЫХ ЭЛЕКТРОНОВ

Ю. Ф. Бондарь, Г. П. Мхеидзе, Н. И. Петров

Для проведения поисковых работ по обнаружению нового фундаментального явления пробоя на убегающих электронах изготовлен источник затравочных электронов на 200 — 250 к В. В качестве генератора импульсных напряжений выбрана двойная формирующая линия, выполненная на высоковольтных кабелях. Методом Монте-Карло исследуются параметры инжектируемого в атмосферу пучка в зависимости от начальной энергии электронов.

Существование нового вида электрического пробоя газа, получившего название пробоя на быстрых электронах, было предсказано теорией [1, 2]. Такой пробой может су шествовать не только в газах, но и в жидких и твердых веществах, как в постоянных, так и переменных или стохастических полях. Пробой развивается при наличии быстрых затравочных электронов (ЗЭ). Предполагается, что обнаруженные в атмосфере потоки рентгеновского и гамма излучения при грозовых явлениях (в том числе гигантских высотных разрядах между облаками и ионосферой) обусловлены пробоем воздуха на убегающих электронах, причем роль затравочных частиц выполняют вторичные электроны с энергией порядка 1 МэВ, создаваемые космическими лучами.

Моделирование условий, возникающих в грозовых облаках, и обнаружение убегающих электронов в лабораторном эксперименте представляется важной задачей.

Предварительные эксперименты на генераторе ИСТРА ВНИЦ ВЭИ (напряжение до 9 МВ), проведенные в отсутствие затравочных электронов, не обнаружили убегающих электронов. Схема предполагаемого эксперимента по выявлению убегающих электронов при наличии ЗЭ, представлена на рис. 1. Напряжение от генератора ИСТРА 1 подается на сетку-анод 2. В бункере 3 располагается генератор затравочных электронов (ГЗЭ), состоящий из генератора импульсного напряжения (ГИН) 4 и высоковольтного диода

Рис. 1. Схема эксперимента. 1 - генератор ИСТРА ВНИЦ ВЭИ (9 МВ), 2 - сетка-анод, 3 - бункер, 4 - генератор импульсного напряжения (150 — 250 кВ), 5 - источник электронов (диод), 6 - затравочные электроны.

Л1

D-Q

Л3

Л2

R=2p

К А

Рис. 2. Схема генератора первичных электронов.

(источника электронов) 5. Пучок электронов инжектируется в межэлектродное пространство и образует облако затравочных электронов (ОЗЭ) 6. Протяженность облака равна /.

Создаваемый источник затравочных электронов должен удовлетворять ряду усло-

вий. Основное - возможность варьировать энергию, ток и угловое распределение инжектируемых в атмосферу электронов, а также временную привязку к генератору ИСТРА.

Рис. 3. Осциллограмма импульса напряжения.

Для получения импульсов напряжения в сотни к В прямоугольной формы в наносе-кундном диапазоне длительности обычно используют одинарные или двойные (рис. 2) линии. В качестве генератора импульсного напряжения выбрана двойная формирующая линия, выполненная на высоковольтных (до 300 - 400 кВ) коаксиальных кабелях Л1 и Л2 с волновым сопротивлением р 25 Ом (от длины линий зависит длительность генерируемого импульса). Запуск ГИН осуществляется управляемым разрядником Р. Для зарядки линий используется выпрямитель с выходным напряжением (/о- Генерированное напряжение кабелем ЛЗ (с волновым сопротивлением 2р ~ 50 Ом) подается на высоковольтный диод Д. Пучок, формируемый в диоде с взрывоэмиссионным катодом К, через выходное окно (титановая фольга) в аноде А инжектируется в атмосферу. Кабельный вариант выбран из-за простоты исполнения, удобства эксплуатации и удовлетворительных параметров генерируемого импульса напряжения (малая величина отношения времен нарастания и спада импульса к длительности плато). Импульс на согласованной нагрузке представлен на рис. 3. Общий вид генератора и используемых диодов дан на рис. 4.

Для корректного проведения эксперимента по выявлению убегающих электронов (регистрируя сами электроны или обусловленное ими тормозное излучение) необходимо

четкое разделение убегающих и затравочных электронов. Для этого необходимо знание параметров ОЗЭ, т.е. первичных электронов. Кроме того, знание этих параметров необходимо и для теоретического исследования задачи.

Рис. 4. Внешний вид кабельного генератора импульсного напряжения. 1 - выходной блок, 2 управляемый разрядник, 3 - кабельные линии, 4 ~ блок зарядки, 5 - блок нагрузки (контейнер с диодом), 6 - диоды (на напряжения 250 к В и 1 М В).

Прохождение электронного пучка через фольгу и распространение его в воздухе исследовалось методом Монте-Карло. Учитывались упругие и неупругие столкновения. Расчеты проводились для пучка электронов с нулевыми начальными угловым и энергетическим разбросами. Энергия электронов варьировалась в пределах Е — 120—350 кэВ. Толщина титановой фольги Д = 50 мкм. Рабочий газ - воздух в нормальных условиях (давление Ро = 1 атм, температура Т = 20°С). Начальное число пробных частиц (т.е. частиц, инжектированных в фольгу) N0 = 10000 — 30000. После прохождения фольги в воздух попадает Л^ частиц. Часть из них, N^ev, возвращается обратно в фольгу. Остановившимися в газе считаются частицы, энергия которых в результате столкновений становится меньше 10 кэВ (число их Л^ор). В процессе взаимодействия с воздухом образуется вторичных ¿-электронов. Средняя энергия частиц, инжектированных из

фольги в газ Ераз, а суммарная энергия пучка И^. Суммарная энергия "вернувшихся

N

10

3

300

250 200 150 100 50 0

50 1 00 150 200 250 300 350 Е, кэВ

100 200 300 400 Е, кэВ

100 200 300 400 Е, кэВ

Рис. 5. Зависимость средней энергии прошедших фольгу частиц от первичной энергии.

Рис. 6. Зависимости И^ (1), (2), (3) и \У£ор (4) от первичной энергии электронов

Е.

Рис. 7. Зависимости (1), (2), Л^ор (3) и (4) от первичной энергии электронов Е.

из газа в фольгу частиц Суммарная энергия остановившихся в газе частиц .

Суммарная энергия, потраченная на ионизацию И^. Параметры электронного пучка (ток и длительность импульса при данном значении Е) при расчете подбирались так, чтобы начальная энергия пучка (т.е. энергия, сообщенная пучку электронов в диоде) составляла 1 Дж. Некоторые результаты расчета приведены в табл. 1.

На рис. 5 дана зависимость средней энергии Е^аа частиц, прошедших фольгу толщиной А = 50 мкм, от начальной энергии Е. Электроны с энергией 70 - 80 кэВ полностью застрянут в фольге выходного окна анода.

Таблица 1

Результаты расчетов

Е, кэВ кэВ № гп № м теу м? «71 ' геу юп

120 38 70 17 57 4 2.2 • Ю-3 410~4 4.6- Ю-4 1.3- Ю-3

150 69 1409 284 1364 251 6.5-Ю"2 8.9 • Ю-3 8.8 • 10~3 4.7 • Ю-2

200 120 5071 1077 6067 2091 3.1  10"1 4.1 • 10~2 2.9 • 10~2 2.4- Ю-1

250 180 7449 1562 11157 5270 5.2- Ю-1 6.7- Ю-2 4.3 • Ю-2 4.2- 10"1

300 230 8706 1780 14520 7807 6.7- Ю-1 8.3-10~2 4.7- Ю-2 5.4-10"1

350 280 9530 2014 17858 10374 7.6 - 10"1 9.6 • Ю-2 5.0 • Ю-2 6.3 Ю"1

Рис. 8. Распределение удельных ионизационных потерь пучка.

Рис. 6 иллюстрирует зависимости энергии Ц^^ инжектированного в газ после про хождения фольги пучка (кривая 1), ионизационных потерь пучка (кривая 2), сум марной энергии "вернувшихся" в фольгу частиц (кривая 3) и суммарной энергии остановившихся в газе частиц (кривая 4) от первичной энергии электронов Е.

Зависимости числа частиц, инжектированных в газ Л^ (кривая 1), "вернувшихся" в фольгу (кривая 2), остановившихся в газе N'¡¡1^ (кривая 3) и образованных в

процессе взаимодействия пучка с воздухом вторичных электронов N£ (кривая 4) от первичной энергии электронов Е представлена на рис. 7.

Как видно из распределения удельных ионизационных потерь пучка в газе (рис. 8), на расстоянии 130 см по оси х (в направлении инжекции пучка) и г = 95 см (в поперечном направлении) ионизационными потерями пучка можно пренебречь. На этих расстояниях пренебрежимо мало и количество частиц.

Таким образом, можно считать, что на расстоянии, большем чем / « 130 — 150 см, первичных (затравочных) электронов нет и зарегистрированные энергичные электроны могут быть идентифицированы как убегающие.

Изменять параметры ОЗЭ можно как изменением Е (т.е. зарядного напряжения Uq) так и меняя положение высоковольтного диода относительно апертуры, через которую пучок попадает в межэлектродное пространство.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект N 98-02-16715).

[1] G и г е v i с h А. V. et al., Phys. Lett., A, 165, 463 (1992).

[2] R о u s s e 1 - D u p r e R. and G u г e v i с h A. V. J. Geophys. Res., A, 101, no. 2, 2297 (1996).

ЛИТЕРАТУРА

Институт общей физики РАН

Поступила в редакцию 18 января 1999 г.