Способ получения субнаносекундного электронного пучка
Изобретение относится к области формирования и генерирования пучков заряженных частиц и может быть использовано в катодолюминесцентном анализе вещества, плазмохимии, квантовой электронике и т.д. В газонаполненном промежутке между электродами осуществляют объемный импульсный разряд, а формирование электронного пучка осуществляют на стадии пробоя разрядного промежутка при достижении значения параметра U/(p× d), достаточного для формирования пучка убегающих электронов между фронтом распространяющейся от катода плазмы и анодом. Плазма объемного разряда, движущаяся к аноду, формируется за счет предыонизации промежутка быстрыми электронами, образовавшимися на фронте импульса напряжения за счет усиления поля на катоде и (или) на катодных плазменных образованиях (пятнах). Где U - напряжение (В), р - давление газа (Торр), d - зазор газового промежутка (мм). Технический результат - формирование высокоэнергетичных (сотни кэВ) субнаносекундных потоков электронов (t≤ 1 нс) плотностью тока десятки ампер на см2 в газовом промежутке атмосферного давления и выше.
Изобретение относится к области формирования и генерирования пучков заряженных частиц и может быть использовано в катодолюминесцентном анализе вещества, плазмохимии, квантовой электронике и т. д.
Известен способ получения электронного пучка в газовом разряде [1]. Способ заключается в том, что в газонаполненном промежутке между электродами осуществляют объемный импульсный высоковольтный разряд при атмосферном давлении, в котором формируется пучок убегающих электронов (УЭ). Пучок возникает в прикатодной области разряда. Этот тип разряда реализуется в режиме высоких перенапряжений, т.е. разрядное напряжение в промежутке во много раз превышает напряжение статического пробоя. Электрическое поле в разрядном промежутке неоднородно и значительно сильнее вблизи катода. В прикатодной области отношение напряженности поля к давлению газа (Е/Р) сравнимо с максимумом потерь энергии. В таком поле происходит переход низкоэнергетических электронов разряда в режим убегания, в результате чего они, ускоряясь, покидают прикатодную область, и происходит формирование пучка высокоэнергетических электронов.
Наиболее близким решением, выбранным нами за прототип, является патент на способ получения электронного пучка [2]. В прототипе между электродами газонаполненного промежутка осуществляют объемный импульсный высоковольтный разряд с формированием в нем электронного пучка. Формирование электронного пучка осуществляется путем лавинного размножения начального электронного пучка в разряде при давлении порядка атмосферного с разрядным током, значение которого выбирают из условия обеспечения компенсации объемного заряда, возникающего в разряде при развитии электронных лавин, а напряженность электрического поля выбирают из условия превышения порогового значения, необходимого для развития лавин убегающих электронов.
Способ основан на теории возникновения лавины убегающих электронов в достаточно сильных электрических полях. Предполагается, что начальные убегающие электроны образуются либо в результате процессов в самом разряде, либо инжектируются в разрядную область извне. В электрическом поле разряда происходит лавинное размножение начальных убегающих электронов и формируется пучок высокоэнергетичных электронов. Лавинное размножение убегающих электронов развивается не просто в электрическом поле, а в газовом разряде. Протекание газоразрядного тока способно компенсировать объемный заряд. В электрическом поле без разряда компенсации не происходит, и заряд накапливается, прекращая процесс ускорения высокоэнергетичного компонента вторичных электронов. Напряженность электрического поля Е в данном изобретении определяется соотношением Е/Р=(Е/Р)кр. Здесь Р - давление газа в разрядном промежутке. Величина е(Е/Р)кр равна минимальному значению силы сопротивления, действующей на убегающие электроны в данном газе со стороны атомов и молекул. Время генерации пучка ограничено длительностью импульса инжектированных электронов и (или) развитием неустойчивости объемного разряда.
Недостатком способа по прототипу является ограничение на время формирования потока электронов (t>40 нс) в процессе импульсного разряда и на напряженность в газовом промежутке, которая должна быть не меньше критического значения.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является формирование высокоэнергетичных (сотни кэВ) субнаносекундных потоков электронов (t≤1 нс) плотностью тока десятки ампер на см2 в газовом промежутке атмосферного давления и выше.
Технический результат достигается тем, что в газонаполненном промежутке между электродами осуществляют объемный импульсный разряд с формированием в нем электронного пучка, новым, согласно изобретению, является то, что формирование электронного пучка осуществляют на стадии пробоя разрядного промежутка при достижении значения параметра U/(p×d), достаточного для формирования пучка убегающих электронов между фронтом распространяющейся от катода плазмы и анодом, и то, что плазма объемного разряда, движущаяся к аноду, формируется за счет предыонизации промежутка быстрыми электронами, образовавшимися на фронте импульса напряжения за счет усиления поля на катоде и (или) на катодных плазменных образованиях (пятнах). Где U - напряжение (В), р - давление газа (Торр), d - зазор газового промежутка (мм).
Формирование субнаносекундного электронного пучка осуществляется на фронте наносекундного импульса напряжения, пучок формируется между движущимся фронтом импульсного объемного разряда и анодом. При этом скорость распространения плазмы от катода определяется быстрыми электронами, возникающими у катода за счет усиления поля на катоде и катодных пятнах.
Способ основан на том, что в импульсном объемном разряде основная часть убегающих электронов при низких начальных значениях параметра Е/р~0,1 кВ/см×Торр формируется в пространстве между плазмой, которая образовалась на катоде, и анодом. Катодная плазма с большой скоростью распространяется к аноду, при этом за счет перераспределения электрического поля в части газового диода достигается критическая величина Е/р, в том числе и вследствие геометрического фактора.
Реальная конструкция, на которой реализован субнаносекундный электронный пучок в разряде атмосферного давления, включала генератор импульсов с волновым сопротивлением 30 Ом, напряжением на согласованной нагрузке ~200 кВ, длительностью на полувысоте ~3 нс при фронте импульса напряжения ~1 нс [3]. С этим генератором использовалась газовая камера, заполненная воздухом или азотом при давлении 760 Торр, и использовалось два катода. Один катод представлял собой набор трех цилиндров из Ti фольги толщиной 50 мкм, вставленных друг в друга и закрепленных на дюралевой подложке диаметром 36 мм. Другой катод был выполнен из графита в виде таблетки диаметром 29 мм, края которой были закруглены, и обращен выпуклой стороной в сторону фольги с радиусом кривизны 10 см. Графитовый катод размещался на медном держателе диаметром 30 мм. Вывод электронного пучка осуществлялся через сетку с прозрачностью ~50% или через АlВе фольгу толщиной 45 мкм. Оптимальное расстояние анод - катод составляло 18-28 мм. Электронный пучок при давлении одной атмосферы был получен в воздухе, азоте, гелии и смеси Со2-N2-Не как в режиме однократных импульсов, так и частотой повторения до 10 Гц. Амплитуда тока в воздухе составила 40 А, в Не 300 А. Для других газов также получены наибольшие токи для подобных условий в газовом диоде. Максимум на распределении электронов пучка по энергии для кольцевого катода при давлении воздуха в диоде (1 атмосфера) соответствовал энергии электронов ~(90-110) кэВ, длительность тока пучка для всех испытуемых газов была менее 1 нс. Для воздуха атмосферного давления при использовании генератора с волновым сопротивлением 20 Ом и импульсом напряжением с амплитудой до 220 кВ и длительностью на полувысоте ~2 нс, при фронте импульса напряжения ~0,3 нс была получена длительность импульса тока пучка 0,3 нс, ток 70 А, максимум распределения энергии электронов составил ~110 кэВ [4].
Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки
1. Л.В.Тарасова, Л.Н.Худякова, Т.В.Лойко и В.А.Цукерман. Быстрые электроны и рентгеновское излучение наносекундных импульсных разрядов в газах при давлениях 0,1-760 Торр // Журнал технической физики, 1974, Т.XLIV, В.3, С.564-568.
2. Патент RU №2113033, опубл. в Б.И. №16 от 06.10.1998.
3. Алексеев С.Б., Орловский В.М., Тарасенко В.Ф. / Пучок электронов, сформированный в газонаполненном диоде при атмосферном давлении воздуха и азота // Письма в ЖТФ, 2003, том 29, вып.10, с.29-35.
4. Тарасенко В.Ф., Яковленко С.И., Орловский В.М., Ткачев А.И., Шунайлов С.А. / Получение мощных электронных пучков в плотных газах // Письма в ЖЭТФ, 2003, том 77, вып.11, с.737-742.
Способ получения субнаносекундного электронного пучка при атмосферных давлениях и выше, заключающийся в том, что в газонаполненном промежутке между электродами осуществляют объемный импульсный разряд с формированием в нем электронного пучка, отличающийся тем, что формирование электронного пучка осуществляют на стадии пробоя разрядного промежутка при достижении значения параметра U/(р×d), достаточного для формирования пучка убегающих электронов между фронтом распространяющейся от катода плазмы и анодом, и тем, что плазма объемного разряда, движущаяся к аноду, формируется за счет предыонизации промежутка быстрыми электронами, образовавшимися на фронте импульса напряжения за счет усиления поля на катоде и (или) на катодных плазменных образованиях (пятнах), где U – напряжение, В, р – давление, Торр, d – зазор газового промежутка, мм.
