УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ ИМПУЛЬСНЫХ ПУЧКОВ БЫСТРЫХ ЭЛЕКТРОНОВ В ВОЗДУШНОМ ПРОМЕЖУТКЕ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ
DEVICE FOR GENERATING PULSED BEAMS OF HIGH-SPEED ELECTRONS IN AIR GAP AT ATMOSPHERIC PRESSURE

2
Изобретение относится к области сильноточной электроники и может быть использовано для генерации импульсных пучков быстрых электронов (электронов с энергиями от нескольких десятков кэВ до нескольких сотен кэВ) с большой плотностью (до нескольких десятков А/см) в газонаполненных промежутках атмосферного давления.
2
5
6
Существуют несколько устройств для получения пучков быстрых электронов. Одно из них представляет собой вакуумный диод, в котором импульсное электрическое напряжение создается между острийным металлическим катодом и анодом в виде тонкой металлической фольги, через которую осуществляется вывод электронов (М.И.Яландин, В.Г.Шпак. Мощные малогабаритные импульсно-периодические генераторы субнаносекундного диапазона.//ПТЭ, 2001, №3, с.5-31 - аналог). Плотности тока импульсных пучков быстрых электронов, создаваемых с помощью этого устройства, достигают нескольких сотен А/см. Недостаток данного устройства состоит в ограниченном сроке службы. Он составляет 10-10 импульсов, после чего целостность анодной фольги нарушается и диод теряет герметичность. Вследствие большой расходимости пучка плотность тока на его оси сильно снижается с расстоянием (В.Г.Шпак. Измерение энергетических характеристик наносекундного электронного пучка, выведенного в воздух через фольгу.//ЛПТЭ, 1980, №3, с.165-167), что также является недостатком.
Другое устройство представляет собой газонаполненный диод атмосферного давления, что автоматически устраняет недостаток малого срока службы, как в предыдущем случае. Принцип генерации импульсных электронных пучков остается тем же самым (Г.А.Месяц, В.Г.Шпак, С.А.Шунайлов, М.И.Яландин. Источник электронов и режим ускорения пикосекундного пучка в газовом диоде с неоднородным полем.// Письма в ЖТФ, т.34, №4, с.71-81 - прототип). В этом случае плотность электронного тока в импульсе, фиксируемая за анодом, на два порядка меньше тока, получаемого с помощью вакуумного диода, что существенно суживает область применения такого пучка. При этом расходимость пучка остается той же.
Задачей предложенного изобретения является частичная компенсация недостатков прототипа и значительное увеличение плотности тока импульсного пучка быстрых электронов. Для решения этой задачи предлагается следующее устройство: газонаполненный диод атмосферного давления, имеющий цилиндрический, сплошной катод с плоской поверхностью эмиссии и анод в виде тонкой металлической фольги, закрепленный на металлическом цилиндре, который служит корпусом разрядной камеры и является обратным токопроводом. Вокруг всей боковой поверхности катода, а также перекрывая часть межэлектродного промежутка, расположена цилиндрическая кварцевая трубка, имеющая с катодом жесткий механический контакт. Кварцевая трубка препятствует уходу электронов на стенки разрядной камеры, а также выравнивает силовые линии электрического поля вдоль оси катод-анод в газоразрядном промежутке, что уменьшает расходимость электронного пучка. Межэлектродное расстояние L определяется величиной приведенной напряженности электрического поля Е/р-[В/(см·атм)] (Е - напряженность электрического поля, р - давление газовой среды), которая должна быть достаточной, чтобы некоторая часть электронов, эмитированных с катода, перешла в режим непрерывного ускорения. Электроны, перешедшие в режим непрерывного ускорения, создают импульсный пучок. Расстояние h от эмитирующей поверхности катода до основания цилиндрической кварцевой трубки, находящегося в межэлектродном промежутке, ограничено неравенством 0<h<A, где А - расстояние, при котором между основанием цилиндрической кварцевой трубки, находящимся в межэлектродном промежутке, и анодом происходит искровой разряд - в этом случае электрическая проводимость межэлектродного промежутка резко возрастает и перехода электронов в режим непрерывного ускорения не наблюдается.
Главным отличием предлагаемого устройства является использование при импульсном разряде в газе атмосферного давления цилиндрической кварцевой трубки, имеющей механически жесткий контакт с катодом и перекрывающей всю его боковую поверхность и часть разрядного промежутка. На фиг.1 приведена схема разрядной камеры, где 1 - анод из тонкой фольги, 2 - цилиндрический катод, 3 - цилиндрическая кварцевая трубка, 4 - металлический цилиндр, который служит корпусом разрядной камеры и является обратным токопроводом. На цилиндрический катод 2 подается импульсный потенциал. Далее под действием напряжения между катодом и заземленным анодом 1, закрепленным на металлическом цилиндре 4, начинается эмиссия электронов с катода. Часть электронов эмитированных с катода приобретает энергию, достаточную для перехода в режим непрерывного ускорения, и формирует электронный пучок. Кварцевая трубка 3 препятствует уходу электронов на стенки разрядной камеры, а также выравнивает силовые линии электрического поля вдоль оси катод-анод в газоразрядном промежутке, что уменьшает расходимость электронного пучка. Полученный пучок выводится через анод. Оптимальное межэлектродное расстояние L (фиг.1), т.е. такое, при котором наблюдается наибольшая плотность импульсного пучка быстрых электронов, определяется величиной приведенной напряженности электрического поля E/N, где Е - напряженность электрического поля, N - концентрация молекул газа. Приведенная напряженность электрического поля должна быть достаточной, чтобы некоторая часть электронов, эмитированных с катода, перешла в режим непрерывного ускорения. Расстояние h (фиг.1) ограничивается неравенством 0<h<A, где А - расстояние, при котором между основанием цилиндрической трубки, находящимся в межэлектродном промежутке, и анодом происходит искровой разряд, что недопустимо, т.к. в этом случае перехода части электронов в режим непрерывного ускорения не наблюдается.
Плотность тока пучка быстрых электронов в проведенных экспериментах определялась по яркости свечения люминофора ZnSCdS:Ag под действием этого пучка. Люминофор был нанесен на подложку из плотной белой бумаги и расположен непосредственно на аноде. Яркость свечения люминофора измерялась с помощью ФЭУ-100, показания которого фиксировались осциллографом Tektronics TDS 360. На катод подавались импульсы амплитудой - 220 кВ длительностью 2 нс и фронтом 0,7 нс с источника импульсного напряжения РАДАН 220. Анод представлял собой алюминиевую фольгу толщиной 20 мкм. Разрядная камера закрепляется непосредственно на источнике импульсного напряжения РАДАН-220.
В частности, были получены зависимости плотности тока импульсного пучка быстрых электронов от комбинации расстояний h и L, а также найдены оптимальные диаметр и материал цилиндрического катода для наибольшей плотности тока импульсного пучка быстрых электронов. Наибольшая плотность импульсного пучка наблюдалась в случае стального (сталь 3) катода (в эксперименте использовалось 4 материала катода: медь, графит, свинец, сталь 3) диаметром 10,5 мм (в эксперименте использовались цилиндрические катоды девяти диаметров: 4,5; 6,5; 8,5; 10,5; 12,5; 14,5; 16,5; 18,5 и 20,5 мм), в конфигурации h=16 мм, L=28 мм. В данном случае оптимальные расстояния L и h определялись экспериментально. Графики зависимостей плотности тока пучка от расстояния L для h=16 мм и диаметра катода d=10,5 мм для четырех использованных материалов приведены на фиг.2. При анализе результатов эксперимента было обнаружено небольшое увеличение оптимального L при увеличении h.
Также была получена зависимость плотности импульсного пучка быстрых электронов от величины межэлектродного расстояния L в конфигурации без кварцевой трубки. Сравнение наилучших результатов, т.е. яркости свечения люминофора в конфигурациях h=20 мм, L=36 мм для графитового катода диаметром 18,5 мм; h=20 мм, L=28 мм для свинцового катода диаметром 14,5 мм; н=16 мм, L=28 мм для медного катода диаметром 12,5 мм; h=12, L=24 мм для стального катода диаметром 8,5 мм с наилучшими результатами в случае без кварцевой трубки для графитового катода диаметром 18,5 мм при L=36 мм, для свинцового катода диаметром 14,5 мм при L=28 мм, для медного катода диаметром 12,5 мм при L=40 мм и для стального катода диаметром 8,5 мм при L=32 мм показало увеличение плотности тока пучка быстрых электронов в 23,53; 3,95; 2,43 и 1,83 раза соответственно.