WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 |
Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 12 04;07;12 О распределении по энергиям электронов пучка при объемном наносекундном разряде в воздухе атмосферного давления © В.Ф. Тарасенко, И.Д. Костыря, В.К. Петин, С.В. Шляхтун Институт сильноточной электроники СО РАН, 634055 Томск, Россия e-mail: VFT@loi.hcei.tsc.ru (Поступило в Редакцию 28 февраля 2006 г.) Проведены исследования распределения по энергиям электронов пучка и рентгеновских квантов при объемном наносекундном разряде в воздухе атмосферного давления. Зарегистрировано несколько групп электронов с повышенной энергией. Показано, что основной вклад в амплитуду тока пучка, измеряемую за тонкими фольгами, дают электроны, имеющие энергию в десятки–сотни keV (меньшую амплитуды максимального напряжения на промежутке). Подтверждено, что быстрые электроны (с энергией в единицы– десятки keV) появляются на 100-500 ps раньше основного пика тока пучка и приводят к увеличению длительности импульса тока пучка и существенному увеличению его амплитуды. Показано, что электроны с аномальной энергией (большей амплитуды максимального напряжения на промежутке) дают малый вклад в ток пучка (менее 5%). Изучены спектры рентгеновского излучения, формируемого в газовых диодах различной конструкции. Анализируются методики измерений амплитуды тока субнаносекундного электронного пучка и механизм формирования быстрых и убегающих электронов при объемных разрядах в газаx повышенного давления.

PACS: 52.80.Mg Введение квантов рентгеновского излучения по энергиям в широком энергетическом интервале. Данную работу отчасти Рентгеновское излучение [1–4] и пучок электронов [5] стимулировала критическая статья Л.П. Бабича [32], в при импульсном газовом разряде в плотных газах были которой по принципиальным вопросам (распределение получены сравнительно давно. В экспериментах [1–5] на электронов по энергиям, амплитуда тока пучка, мехапромежуток подавались высоковольтные напряжения с низм генерации убегающих электронов и т. д.) сделаны амплитудой в десятки–сотни киловольт наносекундной ошибочные утверждения.

длительности. Наиболее важные результаты по изучению рентгеновского излучения и пучков электронов при 1. Экспериментальная аппаратура импульсных разрядах в газах атмосферного давления, и методики полученные до 2002 г., обобщены в обзорах [6–8], а также представлены в статьях [9–14].

Экспериментальные исследования были проведены В последние годы исследования в этом направлении с использованием четырех генераторов наносекундных снова стали актуальными. Это обусловлено новыми эксимпульсов РАДАН-220 [33], РАДАН-303 [34] (два гепериментальными [15–23] и теоретическими [24,25] (см.

нератора с разной длительностью переднего фронта также ссылки в [25]) результатами по формированию импульса напряжения) и генератора с твердотельными убегающих электронов, которые рассмотрены в обзокоммутаторами SM-3NS [35,36], которые подключались рах [26–28]. Существенное увеличение амплитуды сверхк газонаполненным диодам. Генератор РАДАН-220 имел короткого лавинного электронного пучка (СЛЭП [15]), волновое сопротивление 20 и формировал на разформируемого в газовом диоде при атмосферном даврядном промежутке в режиме холостого хода импульс лении, позволило применить такие пучки для формиронапряжения с амплитудой 220 kV, длительностью на вания объемного разряда в импульсном CO2-лазере [29] полувысоте 2 ns и переднем фронте в передающей и для возбуждения импульсной катодолюминесценции в различных кристаллах [30,31]. Кроме того, в распоряже- линии 0.5ns.

Генератор РАДАН-303А имел волновое сопротивнии экспериментаторов появились новые осциллографы ление 45 и формировал импульсы напряжения с (типа TDS6604) с полосой 6 GHz и разрешением 20 GS/s (20 точек на 1 ns), которые позволили существенно улуч- длительностью на полувысоте 5 ns, амплитудой на согласованной нагрузке от 50 до 170 kV (напряжение шить качество измерений субнаносекундных импульсов в режиме однократных импульсов и при малых частотах холостого хода до 340 kV) и длительностью фронта повторения. импульса напряжения в передающей линии 1.5ns.

Цель данной работы — провести исследования формы Генератор РАДАН-303В имел волновое сопротиви амплитуды тока пучка электронов, формируемого в ление 45 и формировал импульсы напряжения с газовых диодах, а также распределения электронов и длительностью на полувысоте 3 ns, амплитудой на 38 В.Ф. Тарасенко, И.Д. Костыря, В.К. Петин, С.В. Шляхтун соединялась с коаксиальным кабелем, имеющим волновое сопротивление 50. Основание конуса, обращенное к фольге, имело диаметр 20 mm. Данная конструкция коллектора позволяла регистрировать импульсы тока пучка с длительностью на полувысоте 0.1 ns. Для регистрации импульсов напряжения использовались емкостные делители напряжения, которые устанавливались в передающей линии генератора SM-3NS [35,36] или напротив газового диода в генераторе РАДАН-303 [19].

Регистрация импульсов тока разряда, а в ряде экспериментов и тока пучка, осуществлялась с помощью шунтов, собранных из малоиндуктивных сопротивлений ТВО-0.125 (суммарное сопротивление шунтов было 0.1, 0.08 и 0.05 ). Полная энергия пучка электронов Рис. 1. Конструкция газового диода и коллектора: 1 — определялась на ускорителе РАДАН-220 с помощью генератор, 2 —катод, 3 —анод, 4 — изолятор, 5 — коллектор, калориметра ИМО-2 [17].

6 — разъем.

Для измерения сигналов с емкостного делителя, шунта и коллекторов использовался цифровой осциллограф TDS6604 (6GHz, 20GS/s). Для соединения измерительсогласованной нагрузке от 85 до 200 kV (напряжение ных электродов с осциллографом применялись широкохолостого хода до 400 kV) и длительностью фронта полосные коаксиальные кабели и аттенюаторы 142-NM импульса напряжения в передающей линии 1.2ns.

фирмы Barth Electronics с полосой пропускания 30 GHz.

Генератор SM-3NS подробно был описан в [35,36]. ПоРазрешение системы регистрации при использовании сле его срабатывания в передающей линии (50 ) форосциллографа TDS6604 достигало 0.05 ns.

мировался импульс напряжения амплитудой 150 kV, Интегральная картина свечения разряда фотографидлительностью 1.4 ns и временем нарастания на уровне ровалась через сетку или окно пленочным фотоаппа0.1-0.9 не более 0.25 ns. Все четыре генератора, а также ратом ЗЕНИТ или цифровым фотоаппаратом Olympus генераторы СИНУС и АРИНА использовались ранее для получения электронного пучка и рентгеновского Camedia C-2020 Z.

излучения в газовых диодах, а также для формирования Экспозиционная доза рентгеновского излучения плотных объемных разрядов при атмосферном давлении определялась с помощью дозиметров VICTOREEN без предыонизации [15–23,37–41].

(Model 541R) и Arrow-Tech Inc. (Model 138), которые Газонаполненный диод во всех генераторах был обра- были чувствительны к излучению с энергией квантов зован катодом с малым радиусом кривизны и плоским более 60 и более 16 keV соответственно. Дозиметры анодом (рис. 1). Конструкции газовых диодов, используустанавливались на расстоянии 0.7-5сm от плоскости емые с генераторами РАДАН и SM-3NS, были описаны фольги перпендикулярно оси катода. Кроме того, в работах [19,21–23]. Газонаполненные диоды были изгорентгеновское излучение фиксировалось по засветке товлены с использованием изолятора от промышленной пленки РФ-3, которая помещалась в черную бумагу рентгеновской трубки ИМА-350Д [42]. Во всех экспетолщиной 100 µm и располагалась с торца газового риментах диоды заполнялись воздухом атмосферного диода на различных расстояниях от сетки или (и) давления. Вывод электронного пучка осуществлялся чефольги.

рез AlBe-фольгу толщиной 45 µm, металлическую сетку или Al-фольги различной толщины. Катодом служила 2. Экспериментальные результаты трубка из стальной фольги толщиной 50 µm и диаметром 6 mm. Расстояние d между катодом и анодом могло и их обсуждение изменяться от 5 до 18 mm. В качестве ослабляющих фильтров применялись фольги из алюминия и меди 2.1. Форма разряда в газовом диоде различной толщины (h). В экспериментах также примеПри подаче на газовый диод наносекундных импульнялся открытый газовый диод [22]. В этом случае фольга сов напряжения от всех четырех генераторов формироубиралась, а разряд формировался между торцом катовался объемный (диффузный) разряд. Свойства разряда да и внутренней цилиндрической поверхностью анода.

исследовались нами ранее в работах [15,18–23,37–41].

Измерения тока пучка при работе с открытым газовым Разряд состоит из отдельных диффузных струй, которые диодом не проводилось, так как пучок полностью поглоначинались с катода и, расширяясь, замыкались на аноде.

щался в корпусе газового диода.

Фотографии такого разряда в воздухе атмосферного Ток пучка электронов измерялся с помощью коллектора и шунтов. В данных экспериментах в основном ис- давления между трубчатым катодом и фольгой приведены в [18,19,21,27]. Также могли наблюдаться струи, пользовался коллектор, показанный на рис. 1. Коллектор состоял из металлического конуса, образующего с кор- которые не достигали анода (импульсный коронный разпусом линию с волновым сопротивлением 50, которая ряд). В местах примыкания струй к катоду были видны Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. О распределении по энергиям электронов пучка при объемном наносекундном разряде... ТDS6604, 0.05 ns между точками регистрации), приведены на рис. 3. Межэлектродный зазор d при этом равнялся 11 mm. Осциллограммы импульсов напряжения с емкостного делителя и импульса тока пучка с коллектора за AlBe-фольгой и за сеткой с прозрачностью 64% приведены на рис. 4. На рис. 4 записано по две серии из 10 осциллограмм тока пучка и напряжения, при этом использовались регистрационные кабели одинаковой длины. Видно (рис. 3 и 4), что длительность импульса СЛЭП на полувысоте составляет 0.1ns, что соответствует практически предельному разрешению используемой системы регистрации и результатам наших последних работ [23,43,44], в которой использовалась подобная система измерений. Отметим, что разрешение осциллографа TDS максимально при использовании одного луча. Осциллограммы тока пучка подобной формы и длительности были зарегистрированы в проведенной серии экспериментов при использовании всех генераРис. 2. Фотографии разряда в открытом газовом диоде с торов. На рис. 3 и 4 приведены осциллограммы тока дополнительным сегментом на катоде (a) и автографа рентпучка, регистрируемые при выводе пучка через фольгу геновского излучения за 10 импульсов на фотопленку, помеи сетку, установленную за фольгой, а также только за щенную на расстоянии 10 mm (b). Генератор РАДАН-220.

сеткой или фольгой. Благодаря используемой системе Фотографии сделаны в одном масштабе, внутренний диаметр регистрации удалось зафиксировать важные отличия в корпуса газового диода 48 mm.

форме осциллограмм тока пучка. Во-первых, при выводе пучка только через сетку или тонкие фольги (толщиной менее 10 µm для алюминия) на осциллограмме тока яркие катодные пятна. В данных экспериментах было регистрируется предымпульс, который опережает основобнаружено, что наряду с основным разрядом в местах ной пик на 100-500 ns (рис. 3,b и 4,b). Впервые о с максимальным усилением электрического поля име- наблюдении предымпульса сообщалось в работе [43].

ет место диффузный разряд между катододержателем и цилиндрическим корпусом газового диода, который занимает большую часть объема газового диода и имеет малую интенсивность свечения. Местоположение основного (плотного) разряда можно изменять при изменении конструкции электродов. Это облегчало регистрацию слабого диффузного свечения в остальном объеме газового диода. Так, на рис. 2,a показан плотный разряд между катодом из медной фольги толщиной 0.25 mm, которая имела форму сектора, и корпусом газового диода. В этих опытах фольга убиралась, и использовался открытый газовый диод [22]. На рис. 2,a видно яркое свечение плотного диффузного разряда (справа) и излучение слабой интенсивности между катододержателем (в центре) и анодом (корпусом газового диода). При использовании катода в виде трубки в открытом газовом диоде плотный разряд наблюдался практически по всему сечению торца газового диода (фотографии разряда в открытом газовом диоде приведены в работе [22]).

Основной особенностью данных разрядов является генерация электронных пучков и рентгеновского излучения.

2.2. Длительность и амплитуда тока пучка Рис. 3. Осциллограммы импульсов тока пучка убегающих электронов, полученные на генераторе РАДАН-303В при выОсциллограммы тока пучка с коллектора за AlBeводе пучка электронов через AlBe-фольгу толщиной 45 µm и фольгой и сеткой с прозрачностью 64%, а также сетку с прозрачностью 64% (a), а также только через сетку с только за сеткой с прозрачностью 64%, полученные прозрачностью 64% (b). Масштаб по горизонтали 0.2 ns/div, при максимальном разрешении системы регистрации масштаб по вертикали 48 V/div (приведено напряжение на (запись только на один луч цифрового осциллографа коллекторе).

Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 40 В.Ф. Тарасенко, И.Д. Костыря, В.К. Петин, С.В. Шляхтун по выводу пучка через толстые алюминиевые фольги 100 µm показали, что время максимумов тока пучка при тонких фольгах или сетке и толстых фольгах с точностью до 0.1 ns совпадает для импульсов тока пучка с наибольшими амплитудами.

Проведенные исследования также показали, что измерения амплитуды тока пучка при его субнаносекундной длительности весьма сложны и сильно отличаются при использовании шунтов и коллекторов различных конструкций. Коллектор, нагруженный на коаксиальный кабель с волновым сопротивлением и согласованный с ним, имеет хорошее временное разрешение, но существенно занижает амплитуду тока пучка. На рис. 5 приведена зависимость амплитуды плотности тока пучка, регистрируемой на подобный коллектор с разрешением 0.2 ns при выводе пучка через отверстия различного диаметра. Диафрагма из алюминиевой фольги толщиной 170 µm устанавливалась сразу же за AlBe-фольгой. На зависимости (рис. 5) есть два характерных участка. При малых диаметрах отверстия, когда регистрируемый ток пучка сравнительно мал, регистрируется наибольшая плотность тока пучка.

Pages:     || 2 | 3 | 4 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.