Способ генерации сильноточных пучков быстрых электронов в газонаполненном ускорительном промежутке
Изобретение относится к сильноточной электронике. Технический результат заключается в повышении надежности и увеличении срока службы. Согласно изобретению способ генерации сильноточных пучков быстрых электронов в газонаполненном ускорительном промежутке включает в себя ускорение эмитируемых с катода электронов импульсным электрическим полем и вывод сформированного электронного пучка сквозь анод ускорительного промежутка. При этом ускорительный промежуток заполнен газом атмосферного давления, в котором путем локального кратковременного разогрева создается область пониженной концентрации газа, соприкасающаяся с катодом. Импульс ускоряющего напряжения подается после восстановления в этой области электрической прочности газа, но не позже времени релаксации его температуры. Для создания локальной области пониженной концентрации газа может использоваться либо лазерный факел, либо дополнительная электрическая искра. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к области сильноточной электроники и может быть использовано для генерации сильноточных импульсных пучков электронов с широким диапазоном энергии электронов от единиц до тысяч килоэлектроновольт. Ускорители электронов, основанные на этом изобретении, могут быть использованы для обработки, модификации и стерилизации материалов.
Известен способ и устройство генерации пучков электронов высоких энергий, 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, а сформированный электронный пучок выводят из ускорительного промежутка сквозь герметичную металлическую фольгу, являющуюся анодом ускорительного промежутка (М.И.Яландин, В.Г.Шпак. Мощные малогабаритные импульсно-периодические генераторы субнаносекундного диапазона. // ПТЭ, 2001, №3, С.5-31 - аналог).
Известен также способ и устройство генерации импульсных пучков электронов высоких энергий, в которых эмитируемые с катода электроны ускоряются в газонаполненном ускорительном промежутке под действием импульсного электрического поля, создаваемого внешним высоковольтным напряжением, приложенным к электродам газонаполненного ускорительного промежутка (Г.А.Месяц, С.Д.Коровин, К.А.Шарыпов, В.Г.Шпак, 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 - прототип).
Однако данные решения имеют ряд недостатков. В первом решении недостатком является необходимость герметизации ускорительного промежутка и обеспечения в нем вакуума с остаточным давлением газа 105-106 Па, при котором обеспечивается режим ускорения электронов, что приводит к усложнению устройства. Основным же недостатком этого решения является малый срок службы металлической фольги, которая разрушается под действием 105-106 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. Основным недостатком второго решения является малая величина тока электронного пучка, вышедшего из газонаполненного ускорительного промежутка. (В ускорительном промежутке, заполненном газом атмосферного давления, электронный ток 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.
Задачей предложенного изобретения является устранение указанных недостатков и разработка способа, позволяющего генерировать сильноточные электронные пучки в негерметичных газонаполненных ускорительных промежутках, и повысить надежность соблюдения технологического процесса облучения объектов этими пучками.
Согласно изобретению способ генерации сильноточных пучков быстрых электронов в газонаполненном ускорительном промежутке включает в себя ускорение эмитируемых с катода электронов импульсным электрическим полем и вывод сформированного электронного пучка сквозь анод ускорительного промежутка. При этом в ускорительном промежутке длиной d, заполненном газом атмосферного давления, путем локального кратковременного разогрева газа до температуры свыше 3000 К создается область пониженной концентрации газа, соприкасающаяся с катодом, имеющая характерный размер x>d·(Wex/eU0) вдоль оси промежутка, где е - заряд электрона, a Wex - энергия электронов, соответствующая максимуму частоты ионизации окружающего газа. Импульс ускоряющего напряжения с амплитудой U0 и длительностью фронта меньше характерного времени ионизации газа в области пониженной концентрации газа подается после восстановления в этой области электрической прочности газа, но не позже времени релаксации его температуры. Для создания локальной области пониженной концентрации газа может использоваться лазерный факел оптического пробоя либо в парах материала катода, либо газа ускорительного промежутка. Также для создания локальной области пониженной концентрации газа может использоваться дополнительная электрическая искра.
Таким образом, решение поставленной задачи обеспечивается локальным понижением концентрации газа до уровня менее 3·1018 см-3 в ускорительном промежутке, заполненном газом атмосферного давления, за счет локального кратковременного разогрева газа лазерным факелом или дополнительным искровым электрическим разрядом и начального ускорения эмитируемых с катода электронов в этой локальной области пониженной концентрации газа. Согласно предлагаемому изобретению генерацию сильноточных электронных пучков осуществляют в негерметичном ускорительном промежутке, заполненном газом атмосферного давления, а облучение объектов обработки электронным пучком также можно проводить в воздухе.
Критерием убегания эмитируемых с катода электронов является приобретение ими на длине свободного пробега энергии от электрического поля выше энергии Wex, соответствующей максимуму частоты ионизации окружающего газа. В газе атмосферного давления при комнатной температуре этот критерий достигается при напряженности электрического поля Е≥4·10-15·N В·см2, где E=U0/d - напряженность электрического поля, U0 - амплитуда разности потенциалов между катодом и анодом ускорительного промежутка длиной d, N - концентрация молекул в газе. При таких напряженностях характерные времена ионизации воздуха атмосферного давления лежат в субнаносекундном диапазоне. Поэтому для обеспечения режима непрерывного ускорения электронов время нарастания напряженности поля в зоне ускорения электронов должно быть также субнаносекундного диапазона. В прототипе это достигается сокращением длительности фронта нарастания импульса напряжения и увеличения его абсолютной величины, т.е. путем увеличения абсолютной величины напряженности электрического поля Е. Это дает возможность генерации в ускорительном промежутке, заполненном газом атмосферного давления, убегающих электронов с максимальной энергией порядка w=eU0, но с током на уровне 1 А. (Это приблизительно на 2 порядка меньше тока, генерируемого в вакуумных ускорительных промежутках.)
В предлагаемом способе для существенного увеличения тока ускоренных электронов предлагается кратковременное уменьшение концентрации газа N в локальной области ускорительного промежутка, заполненного газом атмосферного давления. Такой подход основан на том, что критерий убегания, т.е. непрерывного ускорения, электронов является функцией именно приведенной напряженности электрического поля E/N. Локальное уменьшение N осуществляется путем возбуждения возле катода газового промежутка лазерного факела или электрической искры. При этом импульс ускоряющего напряжения подается на электроды ускорительного промежутка после восстановления электрической прочности газового промежутка до уровня, не допускающего его электрического пробоя, но не позже времени релаксации температуры локального объема, занимаемого лазерным факелом или электрической искрой, до температуры окружающего газа. Сущность способа заключается в том, что плазма лазерного факела и электрической искры находится в состоянии, близком к состоянию термодинамического равновесия при давлении, равном давлению окружающего газа, но с высокой температурой Tl=3-16 кК. В частности, в лазерном факеле оптического пробоя в парах материала катода температура вещества близка к температуре кипения материала катода, т.е. Tl=3-4 К и даже 10 кК для графита, в лазерном факеле оптического пробоя газа и электрической искры температура вещества достигает Tl≥10 кК. После выключения источника, создающего эту плазму, необходимая электрическая прочность объема, занимаемого этой плазмой, восстанавливается за время t<1 мс, в то время как его локальная температура за это же время уменьшается на несколько процентов. То есть к моменту восстановления электрической прочности в этом объеме ускорительного промежутка концентрация газа остается ниже, а характерное время ионизации газа τi=1/(Nki(E/N))(ki(E/N) - константа ионизации) выше приблизительно в Тl/Tk≈10-50 раз, чем в окружающем газе, находящемся при комнатной температуре Tk. Поэтому критерий убегания электронов в области пониженной концентрации газа реализуется при напряженности электрического поля на порядок меньшей, чем в газе атмосферного давления при комнатной температуре, а повышенное время ионизации в этой области значительно ослабляет требования на крутизну фронта нарастания напряженности электрического поля. Это справедливо в том случае, когда размер области пониженной концентрации вдоль оси ускорительного промежутка превышает длину свободного побега в ней электронов x≥(σN)-1≈d·(Wex/eU), где σ - эффективное сечение ионизации электронами молекул газа. В предлагаемом способе ток убегающих (ускоренных) электронов достигает 20-30% от полного тока, что приблизительно на два порядка выше, чем в прототипе при одинаковой напряженности электрического поля и крутизне фронта его нарастания, и по порядку величины этот ток близок к току электронов, генерируемому в вакуумных ускорительных промежутках (аналог).
Повышение эффективности генерации пучка убегающих (ускоренных) электронов с максимальной энергией w=eU0 происходит за счет того, что в области пониженной концентрации газа на длине свободного пробега электроны приобретают от электрического поля энергию выше энергии, соответствующей максимуму частоты ионизации окружающего газа. (Такая ситуация просто реализуется при концентрации менее 3·1018 см-3, которая соответствует давлению менее 0,1 атм при комнатной температуре.) Далее эти электроны ускоряются электрическим полем в газе нормальной плотности.
Предлагаемый способ реализуется устройством, которое включает в себя высоковольтный источник импульсного напряжения с внешним запуском, ускорительный промежуток, заполненный газом атмосферного давления и ограниченный катодом и прозрачным для ускоренных электронов анодом, соединенных с выводами источника напряжения, источник локального кратковременного разогрева газа в ускорительном промежутке, с выводом задержанного во времени синхроимпульса для запуска источника импульсного напряжения. В качестве источника локального разогрева предполагается лазер, излучение которого сфокусировано на катод ускорительного промежутка, а его интенсивность превосходит порог оптического пробоя в парах материала катода или в газе ускорительного промежутка, или искровой генератор, подключенный к катоду и дополнительному электроду, например, выполненному в виде сетки, ускорительного промежутка.
Техническим результатом изобретения является повышение тока убегающих (ускоренных) электронов в негерметичном газовом ускорительном промежутке до уровня, который достигается в герметичных вакуумных ускорительных промежутках при тех же напряженностях электрического поля, и создание импульсных ускорителей электронов повышенной надежности.
В качестве доказательства возможности осуществления заявляемого изобретения приводится пример генерации пучка ускоренных электронов в устройстве, принципиальная схема которого приведена на чертеже. На нем обозначены: 1 - источник высоковольтного импульсного напряжения, 2 - ускорительный промежуток длиной d=18 мм, заполненный воздухом атмосферного давления при комнатной температуре, 3 и 4 - катод и сетчатый анод ускорительного промежутка, 5 - датчик тока убегающих электронов, 6 - импульсный лазер, 7 - лазерный факел.
Устройство, приведенное на чертеже, работает следующим образом. Излучение от импульсного CO2-лазера 6 фокусируется на катод 3 ускорительного промежутка 2. Возле катода нормально к его поверхности возникает лазерный факел 7 в парах материала катода с температурой плазмы, приблизительно равной температуре кипения этого материала. После прекращения лазерного импульса через время, которое подбирается экспериментально и приблизительно равно 1 мс, на электроды 3 и 4 ускорительного промежутка от источника 1 подается импульс напряжения с наносекундным фронтом нарастания и амплитудой U0, которая определяется задаваемой максимальной энергией электронов пучка. Часть эмитируемых с катода электронов в области факела 7 ускоряются до энергии, превышающую энергию, соответствующую максимуму частоты ионизации молекул газа, и переходят в режим непрерывного ускорения, достигая возле анода энергии порядка w≤eU0. Ток этих электронов фиксируется датчиком 5. В качестве катода использовался сплошной графитовый цилиндр диаметром 6 мм со скошенным под углом 45° рабочим торцом. Анодом служила металлическая заземленная сетка прозрачностью 70%. При подаче на катод этого промежутка импульса напряжения U0=-200 кВ длительностью 4 нс при длительности фронта нарастания 1 не был зафиксирован ток убегающих электронов 0,5-0,9 А, т.е. такого же порядка, как и в прототипе. При облучении центра рабочего торца катода излучением импульсного СО2-лазера длительностью 1 мс и интенсивностью 105 Вт/см2, направленного перпендикулярно оси катода и сфокусированного на рабочем торце катода в пятно диаметром 2 мм, возле катода возникал лазерный факел оптического пробоя в парах материала катода, распространяющийся нормально к поверхности торца катода, т.е. под углом 45° к оптической оси ускорительного промежутка, не перекрывая его. При подаче на катод такого же, как и в случае без лазерного факела, импульса напряжения, но с регулируемой задержкой относительно окончания лазерного импульса, ток убегающих электронов фиксировался только через 1 мс после прекращения лазерного импульса и возрастал по мере увеличения задержки. В частности, при задержке 3 мс его значение превышало 10 А - на порядок больше значения электронного тока в ускорительном газовом промежутке без лазерного факела. При таком расположении лазерного факела размер области пониженного давления вдоль оси ускорительного промежутка был меньше х<0,6 мм, что не вполне удовлетворяет критерию убегания. Для повышения тока необходимо увеличить этот размер, т.е. развернуть факел вдоль оси ускорительного промежутка.
Полученные результаты показывают возможность генерации токов убегающих электронов больших энергий в газонаполненных ускорительных промежутках, значительно превышающие токи, достигаемые в прототипе, и сравнимые с токами, генерируемыми в вакуумных ускорительных промежутках (аналог).
Использование изобретения позволяет создавать импульсные ускорители электронов высоких энергий с большим сроком службы для таких областей науки и техники, в которых требуется непрерывная безотказная работа импульсных ускорителей в течение длительного времени.
1. Способ генерации сильноточных пучков быстрых электронов в газонаполненном ускорительном промежутке, включающий ускорение эмитируемых с катода электронов импульсным электрическим полем и вывод сформированного электронного пучка сквозь анод ускорительного промежутка, отличающийся тем, что в ускорительном промежутке длиной d, заполненном газом атмосферного давления, путем локального кратковременного разогрева газа до температуры свыше 3000 К создается область пониженной концентрации газа, соприкасающаяся с катодом, имеющая характерный размер x>d·(Wex/eU0) вдоль оси промежутка, где е - заряд электрона, Wex - энергия электронов, соответствующая максимуму частоты ионизации окружающего газа, а импульс ускоряющего напряжения с амплитудой U0 и длительностью фронта меньше характерного времени ионизации газа в области пониженной концентрации газа подается после восстановления в этой области электрической прочности газа, но не позже времени релаксации его температуры.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для создания локальной области пониженной концентрации газа используется лазерный факел оптического пробоя в парах материала катода.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для создания локальной области пониженной концентрации газа используется лазерный факел оптического пробоя газа ускорительного промежутка.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что для создания локальной области пониженной концентрации газа используется дополнительная электрическая искра.
