Способ регистрации распределения плотности потока электронов в сечении импульсного сильноточного электронного пучка

 

Использование: в сильноточных электронно-лучевых приборах, находящих применение в электронной технике и физическом эксперименте. Сущность изобретения: на пути электронного потока помещают мишень-коллектор, регистрируют тепловое излучение с поверхности коллектора в момент времени после импульса элетронного тока, когда прекратилось влияние паразитных излучений, а интенсивность теплового излучения с коллектора превышает предел чувствительности приемной аппаратуры и размытие теплового изображения из-за теплопроводности материала коллектора не превышает предельно допустимого значения. 1 ил.

Изобретение относится к технике измерения электрических величин, а также к технике определения характеристик потоков частиц и может быть использовано в сильноточных электронно-лучевых приборах, находящих применение в электронной технике и физическом эксперименте.

При конструировании электронных приборов, а также для отыскания эффективных путей их совершенствования необходима информация о структуре электронных потоков, определяющей распределение электрических полей в рабочем пространстве. В сильноточных приборах структура электронного потока определяется сложными процессами у ограничивающих электродов, развитием разнообразных неустойчивостей в объемном заряде и, как правило, не поддается теоретическому описанию. Поэтому особенно важно экспериментальное определение структуры электронного потока.

Известен способ определения структуры электронных пучков, состоящий в том что на пути электронного пучка располагают мишень-коллектор с покрытием из люминофора и фиксируют излучение люминофора, которое отражает распределение плотности тока в поперечном сечении пучка. Этот метод неприменим в устройствах с мощными потоками электронов, которые быстро разрушают покрытие.

Сильноточные электронные системы работают обычно в импульсном режиме. Если удельная энергия W_п, выделяемая электронным потоком на поверхности мишени, превышает (10^-1. . . 1) Дж/см², покрытие существенно разрушается за времена ≈ 10^-8. . . 10^-7 с, т. е. уже в первом импульсе, если длительность τ_п импульса тока превышает 10^-8. . . 10^-7 с.

В мощных импульсных электронных устройствах с уровнем энерговыделения W_п≈1 Дж/см² и τ_п 10^-8. . . 10^-7 с часто структуру электронного потока определяют по следу (афтографу), оставляемому электронным потоком. В этом случае на пути электронного потока располагают мишень-коллектор [2] , например из металла или полимерной пленки, и наблюдают картину разрушения или изменения окраски ее поверхности.

Описанный в [2] способ обладает существенным недостатком, который состоит в том, что необратимые изменения поверхности мишени, произошедшие в первом импульсе, не позволяют повторно использовать эту мишень для регистрации характеристик потока электронов.

Для смены мишени и получения информации о распределении потока электронов с полученного следа требуется вскрыть электронный прибор. Это существенно ограничивает возможности применения метода в экспериментальных исследованиях.

Известен способ определения структуры сильноточного электронного потока по свечению тонких (например, лавсановых) пленок, располагаемых на его пути [3] . Регистрация (например, фотографирование) люминесцентного свечения пленки, пронизываемой электронным потоком, дает информацию о распределении тока в месте установки пленки.

Тонкие пленки с успехом используются для диагностики импульсных потоков длительностью τ_п 10. . . 100 нс с энергией электронов, при которой длина их свободного пробега λ_c в материале пленки существенно превышает ее толщину h. Однако в сильноточных устройствах с длительностью электронного тока τ_п 100 нс, или при относительно малых энергиях электронов, когда τ_п h, происходит быстрое разрушение пленки, как правило, уже на переднем фронте импульса электронного тока. Это делает невозможным использование в указанных условиях метода тонких пленок.

Известен способ регистрации распределения сильноточного потока электронов по рентгеновскому излучению, образующемуся на мишени-коллекторе при ее бомбардировке. Рентгеновское излучение измеряют с помощью датчиков, помещенных в коллимирующих каналах в свинцовой пластине, располагаемой в непосредственной близости от мишени-коллектора [4] .

Метод успешно применяется для диагностики широкого класса сильноточных электронных устройств, однако не позволяет получать полную картину распределения тока по поверхности мишени с высоким пространственным разрешением (< 1 мм). Это обстоятельство существенно ограничивает возможности применения указанного метода.

В способе-прототипе для получения полной картины распределения электронного потока по поверхности мишени-коллектора образующееся на ней рентгеновское излучение фокусируют на приемное устройство с помощью камеры-обскуры с малым отверстием [5] .

Размер отверстия камеры-обскуры d определяют по требуемому пространственному разрешению Δ по формуле (см. пример реализации способа): d<ΔR₂/R₁+R₂, (1) где R₁ - расстояние от мишени-коллектора до центра камеры-обскуры; R₂ - расстояние от центра камеры-обскуры до приемного устройства.

Необходимость использования в измерениях с высоким пространственным разрешением камеры-обскуры с малым отверстием приводит к невысокой чувствительности метода. Это ограничивает возможности его применения для диагностики сильноточных электронных потоков [4] .

Цель изобретения состоит в расширении области применения метода регистрации распределения плотности потока электронов в сечении импульсного сильноточного пучка.

Цель достигается тем, что фиксируют тепловое излучение с поверхности мишени-коллектора, нагретого электронным потоком, в моменты времени t после начала импульса электронного потока, определяемые соотношением: t₁ < t < min(t₂, t₃), (2) где t₁ - момент времени после начала импульса электронного потока, когда интенсивность нетепловых излучений, регистрируемых приемным устройством, становится меньше интенсивности тепловых; t₂ - момент времени после начала импульса электронного потока, когда интенсивность теплового излучения при своем падении достигает значения, соответствующего порогу чувствительности приемного устройства; t₃ - момент времени после начала импульса электронного потока, когда расплывание теплового изображения электронного потока на мишени из-за ее теплопроводности достигает максимально допустимого значения Δ, определяемого требованиями пространственного разрешения.

Предлагаемый способ, в отличие от прототипа, позволяет для широкого класса сильноточных устройств с высоким пространственным разрешением и высокой чувствительностью определять структуру электронного потока, выявляя важные для практических приложений нестационарности электронного потока, а также его изменения при изменении ускоряющего напряжения и магнитного поля, геометрического положения катода или других параметров, определяющих характеристики электронного потока.

Рассмотрим пример реализации предлагаемого способа.

На чертеже показана схема экспериментальной установки, на которой был реализован способ, где 1 - холодный трубчатый катод; 2 - металлический канал транспортировки электронного потока; 3 - электронный поток; 4 - соленоид, создающий магнитное поле в канале транспортировки; 5 - мишень-коллектор электронов; 6 и 7 - окна в коллекторной камере 8; 9 - зеркало; 10 - ось вращения коллектора; 11 - линза; 12 - электронно-оптический преобразователь (ЭОП). Канал транспортировки и коллекторная камера находятся под потенциалом земли. При подаче на катод 1 относительно земли отрицательного импульса напряжения U_п амплитудой U 100 кВ (при использовании термокатода формирование электронного пучка и измерения возможны и при меньших значениях напряжения U_п) в результате взрывной эмиссии с катода формируется электронный поток 3, который распространяется вдоль магнитного поля до коллектора 5 и бомбардирует его поверхность, нагревая ее. Излучение с поверхности коллектора попадает на зеркало 9. Отраженное излучение через окно 7 линзой 11 фокусируется на вход ЭОП 12. В изображенном на чертеже электронном приборе предусмотрена возможность поворота коллектора вокруг оси 10. Это позволяет в качестве бомбардируемой мишени использовать разные поверхности коллектора. Повернув мишень-коллектор, можно через окно 6 контролировать состояние его поверхности, меняющееся в процессе бомбардировки.

Прошедшее через окно 7 излучение направляется с помощью линзы на вход ЭОП имеющего импульсное питание. ЭОП передает изображение с входа на выход только при подаче на него импульсного напряжения U_э. Регулируя сдвиг во времени Δ t импульса U_э относительно импульса U_п, можно наблюдать светящееся изображение коллектора в разные моменты времени. При этом длительность наблюдения светящейся картинки определяется длительностью τ_э импульса U_э.

Изображение с выхода ЭОП фотографируется или с помощью телевизионной камеры вводится в ЭВМ и хранится в памяти электронной машины.

Как показали проведенные испытания, на вход ЭОП попадает не только тепловое излучение с мишени, но также излучение коллекторной плазмы, возникшей под действием электронной бомбардировки, и рентгеновское излучение (см. , например, [2] ). Если t больше длительности электронного потока τ_п, рентгеновское излучение прекращается, а интенсивность теплового и плазменного излучений падает с ростом t. Согласно проведенным испытаниям, интенсивность теплового излучения падает медленнее, чем интенсивность излучения плазмы.

Тепловое изображение электронного потока на коллекторе можно выделить на фоне плазменного излучения при t > t₁, где t₁ - момент времени, когда эти два вида излучений становятся равными по величине на выходе ЭОП. При дальнейшем увеличении t возрастает контраст теплового изображения на фоне плазменного, но уменьшается его интенсивность и происходит размытие изображения из-за теплопроводности материала мишени.

Интервал времени, в течение которого удается зарегистрировать изображение, в связи с этим ограничивается сверху минимальным из времен t₂ и t₃, где t₂ - момент времени, когда интенсивность теплового изображения при своем падении достигает значения, соответствующего порогу чувствительности приемного устройства, а t₃ - момент времени, когда расплывание Δ r теплового изображения достигает минимально допустимого значения Δ, ограничиваемого требованиями по пространственному разрешению.

Величина t₃ определяется соотношением t₃ = Δ²/4a, (3) где a = λ/cρ - коэффициент температуропроводности материала мишени; λ - коэффициент теплопроводности материала мишени; с - коэффициент теплоемкости материала мишени; ρ - удельная плотность материала мишени.

При типичных для металлической мишени значениях ρ = 8 г/см³, с = 0,5 Дж/град; λ = 0,5 Вт/см˙град имеем a≃0,1 см²/с. Изображение при этом расплывается на 10 мкм за время ≈ 3 мкм. Если принять, например, что Δ = 0,1 мм для полого цилиндрического потока электронов с толщиной стенки ≈ 1 мм, то t₃≃250 мкс. Согласно проведенным измерениям время наблюдения теплового изображения электронного потока на мишени-коллекторе ограничивалось падением интенсивности теплового излучения до уровня чувствительности приемной аппаратуры и составило величину t₂ ≃150 мкс. Время t₃ может ограничивать возможное время регистрации изображения при необходимости, например, выявления мелкомасштабных особенностей тонкостенных пучков.

Проведенный анализ свидетельствует, что значения t₁ и t₂ могут быть определены экспериментально, а величина t₃ поддается теоретической оценке. Для исследованного экспериментального прибора t₁≃10 мкс, а t₂≃150 мкс.

Предлагаемый способ регистрации распределения плотности потока электронов позволяет выявить неоднородности электронных пучков в разнообразных электронных устройствах с существенно отличающимися элементами конструкции, при разных значениях ускоряющего напряжения U_п, тока I_п потока и длительности τ_п импульсов. Применение метода ограничивается снизу чувствительностью приемной аппаратуры. В проведенных измерениях удельная энергия W_п, определяемая соотношением
W_п = U_пI_пτ_п/S_п, (4) где S_п - площадь сечения потока электронов, была порядка 50. . . 100 Дж/см². При этом запас по чувствительности с применяемой аппаратурой составлял приблизительно 1000. Ограничения применения способа сверху могут быть связаны с такими воздействиями электронного потока, в результате которых происходит разрушение мишени-коллектора. Проведенные измерения свидетельствуют, что при значениях W_п ≈ 100 Дж/см² мишени из нержавеющей стали позволяют определять на основе теплового изображения структуру электронного пучка не менее, чем в 100 импульсах. (56) 1. Kyhl K. L. Webster H. F. IRE Trans Elektron Dev. v. ED-3, N10, p. 172-183.

2. Бугаев С. П. , Ильин В. П. , Кошелев В. И. и др. В сб. Релятивистская высокочастотная электроника. г. Горький. Изд. ИПФ АН СССР, 1979, с. 5-75.

3. Кременцов В. И. , Стрелков П. С. , Шкварунец А. Г. Измерение параметров релятивистского сильноточного электронного пучка методом регистрации свечения тонких диэлектрических пленок. ЖТФ, 1980, т. 50, т. 11, с. 2469-2472.

4. Дувидзон В. М. , Маркевич О. С. , Свинцов В. В. и др. Узел рентгеновской диагностики радиального распределения плотности электронного пучка. ПТЭ, 1990, с. 192-194.

5. Бакшаев Ю. Л. , Басманов А. Б. , Блинов П. И. и др. Динамика структуры микросекундных РЭП. Физика плазмы, 1989, т. 15, N 8, с. 992-999.

Формула изобретения

СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ПОТОКА ЭЛЕКТРОНОВ В СЕЧЕНИИ ИМПУЛЬСНОГО СИЛЬНОТОЧНОГО ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА, состоящий в том, что на пути электронного пучка располагают мишень-коллектор и фиксируют излучение с поверхности мишени-коллектора, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения, фиксируют тепловое излучение с поверхности мишени, бомбардируемой электронным пучком, в момент времени t после начала взаимодействия импульса электронного пучка с мишенью, определяемый соотношением
t₁ < t < min(t₂, t₃),
где t₁ - момент времени после начала взаимодействия импульса электронного пучка с мишенью, когда интенсивность нетепловых излучений, регистрируемых приемным устройством, становится меньше интенсивности тепловых;
t₂ - момент времени после начала взаимодействия импульса электронного пучка с мишенью, когда интенсивность теплового излучения при своем падении достигает значения, соответствующего порогу чувствительности приемного устройства;
t₃ - момент времени после начала взаимодействия импульса электронного пучка с мишенью, когда расплывание теплового изображения электронного пучка на мишени из-за ее теплопроводности достигает максимального допустимого значения, определяемого требованиями пространственного разрешения.

РИСУНКИ

Рисунок 1