СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ПУЧКОВ БЫСТРЫХ ЭЛЕКТРОНОВ В ГАЗОНАПОЛНЕННОМ ПРОМЕЖУТКЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ (ВАРИАНТЫ)
METHOD OF GENERATING BEAMS OF FAST ELECTRONS IN GAS-FILLED SPACE AND DEVICE THEREFOR (VERSIONS)

Изобретение относится к области сильноточной электроники и может быть использовано для генерации пучков быстрых электронов с широким диапазоном энергии электронов от единиц до тысяч килоэлектронвольт. Ускорители электронов, основанные на этом изобретении, могут быть использованы для обработки, модификации и стерилизации материалов.
Известен способ и устройство генерации пучков быстрых электронов, в которых эмитируемые с катода электроны ускоряются в вакуумном промежутке под действием импульсного электрического поля, создаваемого внешним высоковольтным напряжением, приложенным между анодом и катодом вакуумного ускорительного промежутка. Сформированный электронный пучок выводят из ускорительного промежутка сквозь герметичную металлическую фольгу, являющуюся анодом ускорительного промежутка [1].
6
7
Основным недостатком данного способа является малый срок службы металлической фольги, разделяющей вакуумный и газовый объемы, которая разрушается под действием 10-10 импульсов электронного пучка, что приводит к нарушению герметичности ускорительного промежутка и прекращению функционирования устройства в целом. Поскольку момент разрушения фольги носит стохастический характер, то это приводит к резкому нарушению технологического цикла облучения объектов в момент прорыва фольги и, соответственно, повышению вероятности выхода бракованной продукции.
Известен также способ и устройство генерации импульсных пучков электронов высоких энергий с использованием эффекта убегания электронов, в котором отсутствует металлическая фольга для вывода электронов. Под действием импульсного электрического поля, создаваемого внешним высоковольтным напряжением, приложенным к электродам газонаполненного ускорительного промежутка, в нем зажигается газовый разряд, на стадии формирования которого в области усиленного поля около катода специальной формы часть электронов уходит в режим убегания. Далее эти электроны ускоряются в оставшейся части промежутка [2].
Недостатком данного способа является то, что из-за низкой эффективности перехода электронов в режим убегания ток быстрых электронов оказывается более чем на два порядка меньше по сравнению с током из вакуумного ускорительного промежутка при одной и той же форме и амплитуде импульса ускоряющего напряжения. Это приводит к существенному сужению области применения таких электронных пучков.
Прототипом является способ, предложенный нами ранее [3]. В данном способе используется ускорительный промежуток, заполненный газом (воздухом) атмосферного давления, в котором путем локального кратковременного разогрева создается область с пониженной концентрацией газа, соприкасающаяся с катодом. Импульс ускоряющего напряжения подается после восстановления в этой области электрической прочности газа, но не позже времени релаксации его температуры во избежание электрического пробоя. Для создания локальной области пониженной концентрации газа может использоваться либо лазерный факел, либо дополнительная электрическая искра. Эффективность перехода электронов в режим убегания в области пониженной концентрации газа существенно возрастает, что приводит к увеличению тока быстрых электронов более чем на порядок по сравнению с аналогом при тех же экспериментальных условиях.
Недостатком данного способа является низкая плотность, величина тока и расходимость пучка ускоренных электронов, что обусловлено их электростатическим расталкиванием и рассеянием на нейтральных молекулах газа. Из-за этого часть электронов уходит из горячей зоны (зоны пониженного давления), не успев перейти в режим непрерывного ускорения.
Технической задачей предлагаемого изобретения является создание способа генерации пучков быстрых электронов в газонаполненном промежутке, при котором достигается повышение плотности и величины тока, уменьшение расходимости пучка быстрых электронов.
Для решения данной задачи предложен способ генерации пучков быстрых электронов в газонаполненном промежутке, при котором происходит ускорение электронов и их вывод через анод в газонаполненном диоде с межэлектродным расстоянием L. Способ включает создание в межэлектродном промежутке области с пониженной концентрацией газа и подачу на этот промежуток ускоряющего импульса напряжения после восстановления электрической прочности газа, но не позже времени релаксации его температуры. Способ отличается от прототипа тем, что в области с пониженной концентрацией газа создается электрический потенциал, препятствующий рассеиванию ускоренных электронов, что позволяет повысить плотность и величину тока ускоренных электронов.
Для устройства, реализующего данный способ, прототипом является устройство для генерации импульсных пучков быстрых электронов в воздушном промежутке атмосферного давления [4]. Прототип представляет собой газонаполненный диод атмосферного давления. Анод в виде тонкой металлической фольги, закрепленной на заземленном металлическом цилиндре, который является корпусом разрядной камеры, катод в виде сплошного цилиндра с плоской поверхностью эмиссии. Вокруг всей боковой поверхности катода, а также перекрывая часть разрядного промежутка, расположена цилиндрическая кварцевая трубка, имеющая с катодом жесткий механический контакт. На катод подается импульсный потенциал с источника импульсного напряжения. Под действием напряжения между катодом и анодом начинается эмиссия электронов с катода. Часть электронов приобретает энергию, достаточную для перехода в режим непрерывного ускорения, и формирует импульсный электронный пучок, который выводится из разрядной камеры через анод. Цилиндрическая кварцевая трубка при этом препятствует уходу электронов на стенки разрядной камеры, а также выравнивает силовые линии электрического поля вдоль оси катод-анод, что уменьшает расходимость электронного пучка, увеличивая его плотность.
Недостатком этого устройства является малая величина тока ускоренных электронов, вышедших из газонаполненного ускорительного промежутка. В частности, при заполнении ускорительного промежутка газом атмосферного давления ток электронного пучка почти на два порядка меньше по сравнению с током из вакуумного ускорительного промежутка при одной и той же форме и амплитуде импульсов ускоряющего напряжения.
Предлагается устройство для реализации способа, которое включает катод, на который подается потенциал и заземленный анод, через который выводится электронный пучок, где вокруг катода, перекрывая часть межэлектродного промежутка, расположен диэлектрик, при этом межэлектродное расстояние определяется величиной приведенной напряженности электрического поля E/N (где E - напряженность электрического поля, N - концентрация молекул газа), достаточной для перехода электронов, эмитированных с катода, в режим непрерывного ускорения, а расстояние h от эмитирующей поверхности катода до края, обращенного к аноду, ограничено неравенством 0<h<A, где A - расстояние между краем трубки и анодом, при котором происходит искровой разряд.
Для уменьшения рассеяния, увеличения плотности и величины тока ускоренных электронов состав устройства включает в себя блок нагрева газа в диэлектрической трубке. В качестве такого блока служит, например, дополнительный высоковольтный генератор, создающий искровой канал в диэлектрической трубке, или лазер, создающий лазерный факел.
На фиг. 1(a) приведена блок-схема предлагаемого устройства, где 1 - катод, 2 - диэлектрическая трубка, 3 - проходной высоковольтный изолятор, 4 - камера - обратный токопровод, 5 - анод - окно для вывода электронного пучка, 6 - проходной изолятор, 7 - основной высоковольтный генератор для ускорения электронов, 8 - дополнительный импульсный генератор с разделительным трансформатором для нагрева газа в трубке 2, 9 - дополнительный электрод.
4
На электроды 1 и 9 от генератора 8 подается напряжение и между ними формируется искра, которая нагревает газовый объем в трубке 2. Давление в ней повышается (p=nkT, где n - концентрация нейтронов, k - постоянная Больцмана, T - температура). После выравнивания давления в диэлектрической трубке с давлением в камере основная часть молекул газа уйдет из нее, поскольку температура в канале искры T>10 К. После восстановления электрической прочности газа в диэлектрической трубке 2, но не позже времени релаксации температуры в ней на электроды 1, 5 подается ускоряющее напряжение от основного высоковольтного импульсного генератора 7.
Эмитируемые с катода электроны попадают в разреженную зону и набирают между столкновениями с нейтральными молекулами энергию, большую, чем теряют, т.к. амплитуда приложенного напряжения U обеспечивает выполнение условия:
cr
где U - напряжение на электродах 1, 5, L - расстояние между электродами 1 и 5, N - концентрация нейтральных молекул в трубке 2, E - критическая напряженность поля, при котором достигается равенство энергии, теряемой и приобретаемой электроном между столкновениями.
При своем движении от катода к аноду часть электронов будет оседать на стенках диэлектрической трубки, создавая электрический потенциал, препятствующий движению электронов в радиальном направлении. Благодаря этому электроны будут ускоряться в разреженной (горячей) области на всей ее длине. Поскольку длину диэлектрической трубки, а значит, и длину горячей области можно менять в широком диапазоне, то количество электронов, перешедших в режим убегания, повысится, и их энергия на выходе диэлектрической трубки возрастет. Поскольку значительную часть (h) межэлектродного промежутка (L) электроны будут проходить практически параллельно оси трубки вследствие действия указанного выше электрического потенциала, пучок ускоренных электронов на выходе из диэлектрической трубки будет обладать существенно меньшей расходимостью и большей плотностью. Сформированный и ускоренный в диэлектрической трубке пучок далее будет ускоряться в пространстве между диэлектрической трубкой и прозрачным анодом и через него уходит на объект воздействия.
Расстояние h от катода до края трубки, обращенного к катоду, выбирается из условия 0<h<A, где A - расстояние, на котором между краем трубки и анодом происходит искровой пробой. Электроны, покидая диэлектрическую трубку, имеют энергию, многократно превышающую энергию, необходимую для сохранения режима убегания в холодном более плотном газе (воздухе), и, следовательно, продолжают ускоряться. Однако, находясь вне диэлектрической трубки, электроны могут расходиться в радиальном направлении. При этом расходимость электронного пучка будет увеличиваться с расстоянием. Таким образом, изменение расстояния L-h позволяет регулировать плотность тока ускоренных электронов на аноде 5.
3
На фиг. 1(б) приведена блок-схема, согласно которой область с пониженной концентрацией газа (горячий канал) создается импульсным лазером 10. Излучение лазера 10 подается на катод 1, где оно создает лазерный факел, который нагревает газ в трубке до температуры (3-4)·10 К. При выравнивании давления в трубке и камере основная часть молекул газа уходит из трубки и создается зона с пониженной концентрацией нейтралов. После восстановления за счет рекомбинации электронов и ионов электрической прочности промежутка между электродами 1 и 5 на него подается напряжение от основного импульсного генератора 7. Далее процессы развиваются аналогично предыдущему случаю.
Положительный эффект предлагаемого способа и устройства для его реализации достигается благодаря последовательности следующих процессов. Покидая катод, электроны попадают в созданную лазерным факелом или искровым каналом горячую, а следовательно, разреженную область. Часть из них оседает на стенках диэлектрической трубки, расположенной вокруг катода, и формирует электростатический отталкивающий потенциал. Поэтому электроны не могут выйти из горячей области на всей длине h. Электрическое поле и концентрация газа в диэлектрической трубке выбираются такими, что электроны на длине свободного пробега набирают энергию значительно большую, чем теряют. Поэтому в ней формируется пучок быстрых электронов. Поскольку длина диэлектрической трубки может меняться в диапазоне отсутствия пробоя и быть достаточно большой, то значительная часть электронов будет переходить в режим непрерывного ускорения. Кроме того, они не будут расходиться и пройдут всю длину горячей области. Таким образом, на выходе из диэлектрической трубки пучок электронов будет обладать достаточно высокой энергией и направленностью практически параллельно оси трубки. Это существенно уменьшит рассеяние и расталкивание ускоренных электронов на их дальнейшем пути к аноду в плотном (холодном) газе. Поэтому плотность тока электронного пучка, прошедшего через анод, будет высокой.
Для доказательства работоспособности предлагаемого способа и устройства для его реализации проводился численный эксперимент.
C
A
C
A
Моделировалась передающая линия длиной Lл=3 см, на один конец которой подавался импульс напряжения с длительностью фронта 100 пс. На другом конце линии располагался диод с межэлектродным расстоянием L=3-10 мм, наполненный азотом при комнатной температуре и атмосферном давлении. Выбор длины передающей линии существенно большей по сравнению с межэлектродным расстоянием диода был обусловлен тем, чтобы время прохождения волны по линии было больше времени протекания интересующих нас процессов в диоде. Это позволило избежать излишних усложнений, вызываемых волновыми процессами в линии. Радиусы катода (R) и анода (R) равнялись соответственно R=5 мм и R=10 мм.
hot
Начиная с катода, вдоль оси линии располагалась нагретая область газа с температурой 3000 K, числовая плотность нейтральных частиц в которой была соответственно на порядок ниже, чем в остальном промежутке. Длина горячей области (h) равнялась 7 мм, а ее радиус (R) соответственно 0,8 мм.
hot
tube
Горячая область ограничивалась диэлектрической трубкой с внутренним радиусом, равным R, и внешним радиусом R=1 мм.
В процессе моделирования был использован известный программный пакет XOOPIC. В основе пакета лежит метод крупных частиц, который используется для моделирования движения заряженных частиц под действием внешних и собственных электромагнитных полей. Для расчета электромагнитных полей в этом коде используется система уравнений Максвелла, решаемая методом конечных разностей. Для моделирования взаимодействия заряженных частиц с газом используется метод Монте-Карло (модель индивидуальных столкновений). В программе на каждом шаге по времени для всего ансамбля частиц с учетом их функции распределения при помощи генератора случайных чисел и базы данных по сечениям процессов разыгрывается тот или иной тип взаимодействия: упругое рассеяние, возбуждение или ионизация. Пакет использует двумерное осесимметричное приближение.
Тестирование работы кода проводилось на ряде задач сильноточной электроники и физики газового разряда, имеющих аналитическое либо приближенное решение. К таким задачам относились: (коаксиальный диод с магнитной изоляцией, виртуальный катод, «сжатое» состояние электронного пучка в двухсекционном канале транспортировки, развитие электронной лавины в газе при умеренных приведенных полях). Кроме того, данный код был использован для решения задачи о формировании пучка убегающих электронов в диоде с сильно неоднородным электрическим полем, заполненном азотом атмосферного давления. Результаты моделирования с использованием кода XOOPIC хорошо согласуются как с результатами моделирования с использованием узконаправленного кода TRACKS [5], так и с результатами экспериментов [2].
Результаты расчетов показали, что импульс тока пучка быстрых электронов для вышеуказанных условий имеет амплитуду 244 А, длительность 50 пс. Функция распределения быстрых электронов по энергиям имеет максимум 170 кэВ и ширину на полувысоте 120 кэВ.
2
2
2
На фиг. 2 представлено радиальное распределение электронов, прошедших через плоскость анода. Распределение построено в единицах поверхностной плотности заряда (Кулон/см). Применительно к быстрым электронам данная величина имеет следующий физический смысл. Дело в том, что для визуализации пучка быстрых электронов удобно использовать люминофор. Поскольку длительность импульса тока убегающих электронов (<100 пс) много меньше характерного времени высвечивания люминофора (1-1000 мкс), то интенсивность свечения люминофора будет возрастающей функцией от поверхностной плотности попавшего на него заряда. Распределение медленных электронов приведено на этой фигуре в тех же единицах для удобства сравнения. Вертикальной чертой на графике обозначен радиус внутренней поверхности трубки, равный радиусу горячего канала. Кривая а - распределение медленных электронов, кривая б - суммарное распределение быстрых электронов, кривая в - распределение электронов в энергетическом диапазоне 5-100 кэВ, кривая г - то же для диапазона 100-250 кэВ. Из фигуры видно, что функция плотности заряда быстрых электронов спадает от центра к периферии, то есть след электронного пучка на мишени будет иметь форму круга радиусом 0,5-1,0 мм в зависимости от чувствительности люминофора. Максимальная плотность тока пучка (в центре) равна 3750 А/см, средняя (по диаметру горячей области) равна 1230 А/см, что вполне сопоставимо с плотностями токов, получаемых на ускорителях на основе вакуумного диода.
В случае отсутствия диэлектрической трубки (прототип) плотности токов, согласно нашим расчетам получаются на 2 порядка меньше.
Источники информации
1. М.И. Яландин, В.Г. Шпак. Мощные малогабаритные импульсно-периодические генераторы субнаносекундного диапазона. // ПТЭ, 2001, №3, с. 5-31.
2. Г.А. Месяц, С.Д. Коровин, К.А. Шарыпов, С.А. Шунайлов, М.И. Яландин. О динамике формирования субнаносекундного электронного пучка в газовом и вакуумном диоде. // Письма в ЖТФ, 2006, Т. 32, вып. 1, с. 35-44.
3. Лисенков В.В., Мастюгин Д.С., Осипов В.В., Соломонов В.И. / Способ генерации сильноточных пучков быстрых электронов в газонаполненном ускорительном промежутке. // Патент РФ №2317660 от 20 февраля 2008.
4. Соломонов В.И., Мастюгин Д.С. Устройство для генерации импульсных пучков быстрых электронов в воздушном промежутке атмосферного давления. //Патент РФ №2376731 от 31 марта 2008 г.
5. Беломытцев С.Я., Романченко И.В., Рыжов В.В., Шкляев В.А. О начальной стадии пробоя газового промежутка в неоднородном поле. // Письма в ЖТФ, 2008, Т. 34, вып. 9, с. 10-16.