WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. 11 03;04;06;07;10 О формировании рентгеновского излучения с высокой частотой следования импульсов при объемном наносекундном разряде в открытомгазовомдиоде © В.Ф. Тарасенко,1 С.К. Любутин,2 С.Н. Рукин,2 Б.Г. Словиковский,2 И.Д. Костыря,1 В.М. Орловский1 1 Институт сильноточной электроники СО РАН, 634055 Томск, Россия e-mail: VFT@loi.hcei.tsc.ru 2 Институт электрофизики УрО РАН, 620016 Екатеринбург, Россия e-mail: rukin@iep.uran.ru (Поступило в Редакцию 11 марта 2005 г.) Проведены исследования сверхкороткого лавинного электронного пучка (СЛЭП) в воздухе атмосферного давления. За AlBe фольгой толщиной 45 µm получена амплитуда тока пучка > 100 A при длительности импульса на полувысоте 0.2 ns. Показано, что при высоких частотах следования импульсов (вплоть до 1.5 kHz) условия формирования СЛЭП сохраняются. При формировании объемного разряда в открытом газовом диоде с коаксиальными электродами за счет наносекундных импульсов высокого напряжения получено жесткое рентгеновское излучение (> 60 keV).

Введение тате создан генератор с высокой частотой следования, на котором были получены в передающей 50 линии В настоящее время импульсные и непрерывные ис- импульсы амплитуды 150-160 kV, длительностью 1.4 ns точники рентгеновского излучения находят широкое и временем нарастания 200-250 ps. Частота следования применение в различных областях науки и техники.

импульсов достигала 3 kHz.

Обычно для получения рентгеновского излучения исЦель данной работы изучить характеристики СЛЭП пользуют торможение электронного пучка на мишени в газовых диодах различной конструкции, а также исиз тяжелого металла, а для получения электронных следовать возможность получения СЛЭП при высоких пучков применяют вакуумные диоды, к которым приклачастотах следования импульсов. Для реализации второй дывается высокое напряжение с амплитудой в десятки цели использовался открытый газовой диод и регистрисотни киловольт [1]. В работах [2–7] сообщалось о ровалось рентгеновское излучение.

получении сверхкоротких лавинных электронных пучков (СЛЭП [3]) в газовых диодах при давлении 1 atm и Экспериментальная аппаратура выше, а в [8,9] — о применении субнаносекундных электронных пучков. и методики СЛЭП обладает уникальными свойствами. При заполПри проведении работы применялась установка, понении газового диода воздухом атмосферного давления амплитуда импульса тока пучка на установках с опти- дробно описанная в [11,12]. Для создания перенапряжения на туннельно-ударном обострителе использомальной конструкцией газового диода (малые размеры вался генератор коротких импульсов на основе SOSи малая индуктивность [6,7]) составляет сотни ампер, диодов и промежуточного обострителя [12], работаюа длительность импульса на полувысоте не превышает щего в режиме обычной ударно-ионизационной волны.

нескольких сот пикосекунд [3–7]. После оптимизации Генератор обеспечивал амплитуду выходного напряжеСЛЭП был использован для формирования объемного разряда в CO2 лазере атмосферного давления [8] и воз- ния 220 eV со временем нарастания около 1 ns. Окобуждения катодолюминесценции в кристаллах [9]. Од- нечный туннельно-ударный обостритель располагался в нако все предыдущие эксперименты по формированию начале передающей линии. После его срабатывания в СЛЭП проводились в режиме однократных импульсов линии формировался импульс со временем нарастания или при малых частотах повторения (не более 5 Hz). около 250 ps. Все линии генератора были заполнены Тогда как в настоящее время разработаны генераторы трансформаторным маслом. Исследуемый газовый диод наносекундных высоковольтных импульсов напряжения, (рис. 1) был подобен диоду, описанному в работе [5], но работающие в импульсно-периодическом режиме с ча- имел две модификации. В первой газовый диод состоял стотой следования импульсов 1 kHz и выше [10,11]. Так, из катода, расположенного на центральном электроде, и в [11] экспериментально был реализован сверхбыстрый анода из фольги. Во второй был впервые применен отмеханизм коммутации тока в полупроводниках на основе крытый газовый диод без фольги, который использовался туннельно-ударного ионизационного фронта. В резуль- для получения рентгеновского излучения.

70 В.Ф. Тарасенко, С.К. Любутин, С.Н. Рукин, Б.Г. Словиковский, И.Д. Костыря, В.М. Орловский В проведенных экспериментах были исследованы параметры электронного пучка или(и) рентгеновского излучения с тремя катодами и двумя анодами различной конструкции. Катод № 1 (5) состоял из трубки диаметром 6 mm, изготовленной из стальной фольги толщиной 100 µm. Катодом № 2 служил стальной шарик диаметром 17.4 mm. Катод № 3 был изготовлен из шарика диаметром 7 mm, который закреплялся на торце стальной трубки диаметром 6 mm. Анод № 1 (4) был плоским и изготовлялся из AlBe фольги толщиной 45 µm. В качестве второго анода использовалась внутренняя металлическая поверхность корпуса газово- Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 и 1 — дозиметр, 2 — дополнительный экран, 3 — корпус газового диода го диода (3), что обеспечивало более эффективное по (анод в режиме 2), 4 — фольга, 5 —катод, 6 —изолятор газосравнению с фольгой охлаждение анода при высоких вого диода, 7 — корпус передающей линии, 8 — центральный частотах следования импульсов. В данном случае фольга проводник.

убиралась и газовый диод был открытым.

В режиме 1 газовый диод исследовался с плоским анодом и катодами № 1 и 3, в этом случае пробой осуществлялся между торцом катодов и центральной до 1500 Hz. При частоте 100 Hz, и более импульсы частью плоского анода из фольги. Межэлектродный напряжения подавались на газовый диод отдельными зазор при этом мог изменяться от 5 до 16 mm. Как мы пачками.

уже отмечали, в режиме с открытым газовым диодом (режим 2) AlBe фольга убиралась, а пробой воздуха осуЭкспериментальные результаты ществлялся при малых частотах между торцом трубки (катод № 1) или боковой поверхностью шариков (катоды и их обсуждение №2 и 3) и кромкой цилиндрического корпуса газового В данной работе регистрировались падающая и отдиода. Электроды были расположены коаксиально, а межэлектродный зазор от катода № 1 до цилиндри- раженная волны импульса напряжения в передающей линии, осциллограммы тока пучка за фольгой, эксческой поверхноcти анода равнялся 21 mm, от катода позиционная доза рентгеновского излучения, автограф №2 —15.3 mm и от катода №3 —20.5 mm. Так как электронного пучка и рассчитывалось распределение во втором режиме фольга отсутствовала, то мы могли электронов по энергиям. На рис. 2,a показана форнаблюдать и фотографировать интегральное свечение ма импульса с емкостного делителя, установленного в разряда. Применение режима 1 позволяло измерять параметры электронного пучка за фольгой. В режи- передающей линии генератора. Импульс получен без ме 2 наличие электронного пучка и его относитель- влияния отражения от газового диода за счет удлинения ная интенсивность определялась с помощью дозимет- передающей линии. Амплитуда импульса напряжения ра VICTOREEN 541R, который устанавливался на рас- составила 156 kV, тока — 3.2 kA и длительность импульса на полувысоте — 1.4 ns. Импульс напряжения стоянии 5 cm от плоскости фольги перпендикулярно оси при срабатывании газового диода в первом режиме с передающей линии генератора (рис. 1 (1)). В режиме катодом № 1 показан на рис. 2,b, а импульс тока пучка пачек импульсов дозиметр и открытый диод позволяли проводить измерения при частоте следования импульсов за фольгой на рис. 2,d. Амплитуда импульса падающей в пачке до 1.5 kHz. Число импульсов в одной пачке волны напряжения составила 134 kV, а отраженного варьировалось от 150 до 3 тысяч. Энергия электронов импульса — 55 kV, что соответствует максимальному и квантов рентгеновского излучения для регистрации напряжению на промежутке 190 kV и сопротивлению данным дозиметром должна была превышать 60 keV. газового диода при этом напряжении 120. АмплитуДля регистрации импульсов напряжения использова- да СЛЭП (рис. 2,d) за фольгой в оптимальных режимах лись емкостные делители напряжения, которые устанав- превышала 100 A, а его длительность на полувысоте ливались в передающей линии генератора. Регистрация составляла 0.2 ns. Импульс напряжения для открытого импульсов тока пучка осуществлялась с помощью мало- газового диода с катодом № 1 показан на рис. 2, c. Возиндуктивного коллектора диаметром 2 cm, нагруженного растание амплитуды отраженного импульса обусловлено на коаксиальный кабель. Импульсы с делителей и кол- увеличением межэлектродного зазора в газовом диоде и лектора выводились на цифровой осциллограф TDS6604 сопротивления диода до 170. Отметим, что после с полосой пропускания 6 GHz, количество точек на 1 ns максимума на осциллограммах импульсов напряжения b равнялось 20 (20 GS/s). Собственное время нарастания и c наблюдается спад напряжения, что связано с уменьсигнала в измерительной системе не превышало 100 ns. шением сопротивления разрядной плазмы в течение Измерения проводились в режиме однократных им- импульса. Зависимость амплитуды тока пучка за фольгой пульсов и при частоте следования импульсов от 1.5 с катодом № 1 от величины межэлектродного зазора Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. О формировании рентгеновского излучения с высокой частотой следования импульсов... Рис. 2. Осциллограммы импульсов напряжения (a–c) и тока пучка электронов (d), полученные при малой частоте следования импульсов. Масштаб по горизонтали для всех осциллограмм 0.5 ns/div, масштаб по вертикали 36 kV/div (a–c) и 30 A/div (d).

представлена на рис. 3. Максимальные токи пучка реги- Отметим, что при проведении измерений регистристрировались при зазоре 11.7 mm. Замена катода № 1 на ровался значительный разброс в амплитуде тока пучка катод № 2 при работе в режиме однократных импульсов электронов, особенно в неоптимальных режимах. Однако максимальные амплитуды при проведении нескольпривела к уменьшению оптимального межэлектродного ких серий стабильно воспроизводились, а стабильность промежутка (до 7.5 mm). Ток пучка электронов при этом работы газового диода повышалась после предварительтоже уменьшился на 30%.

ной тренировки в импульсно-периодическом режиме.

В данной работе мы приводим максимальные амплитуды тока пучка. На рис. 4 показаны автографы электронного пучка, полученные за Al фольгой толщиной 10 и 70 µm.

Во втором случае число импульсов для получения автографа было увеличено с 450 до 1350. Диаметр автографа электронного пучка, полученного в плоскости фольги, составил 16 mm. На рис. 5 приведено распределение электронов по энергиям, полученное методом фольг. Максимум в распределении наблюдается при энергиях электронов 100 keV. Достаточно большая часть электронов имела энергию более 140 keV. Сокращение длительности фронта импульса напряжения по сравнению с длительностью фронта импульса напряжения ускорителя РАДАН-303 [5,6] привело к увеличению энергии электронов СЛЭП.

Наиболее важный результат был получен при исследовании открытого диода и работе в импульсноРис. 3. Зависимость амплитуды СЛЭП от межэлектродного зазора в режиме 1 при однократных импульсах. Катод № 1. периодическом режиме (рис. 6). При использовании Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. 72 В.Ф. Тарасенко, С.К. Любутин, С.Н. Рукин, Б.Г. Словиковский, И.Д. Костыря, В.М. Орловский импульсов 1.5 Hz, однако второй максимум наблюдался при более низкой частоте следования импульсов — 50 Hz. Таким образом, во всех трех случаях рентгеновское излучение было получено при высоких частотах следования импульсов, а изменение частоты импульсов и Рис. 4. Автографы СЛЭП после алюминиевой фольги толщиной 10 (a) и 70 m(b). Межэлектродный зазор 11.7 mm, катод №1.

Рис. 5. Распределение электронов в СЛЭП по энергиям.

Межэлектродный зазор 11.7 mm, катод № 1.

катода № 1 (рис. 6,a) максимальная экспозиционная доза рентгеновского излучения за первые 150 импульсов регистрировалась при частоте следования импульсов 1.5 Hz и менее. При увеличении частоты импульсов до 100 Hz экспозиционная доза уменьшалась, и при 100 Hz используемый дозиметр за 450 импульсов не зарегистрировал рентгеновского излучения. Однако при дальнейшем увеличении частоты следования импульсов рентгеновское излучение снова начинало регистрироваться. Второй максимум был получен при частоте 200 Hz, а при изменении частоты импульсов от 0.до 1.5 kHz экспозиционная доза рентгеновского излучения за 150 импульсов уменьшилась лишь в два раза.

При использовании катода № 2 (рис. 6,b) минимальная доза регистрировалась при частоте следования импульсов 1.5 Hz, а максимум наблюдался также при частоте 200 Hz. Изменение частоты импульсов от 0.до 1.5 kHz экспозиционная доза рентгеновского излучения за 150 импульсов уменьшилась не более чем в три раза. При этом экспозиционная доза с катодом № 2 была Рис. 6. Зависимости экспозиционной дозы рентгеновского в 1.5 раз больше, чем с катодом № 1. При использовании излучения за 150 импульсов от частоты следования импулькатода № 3 (рис. 6,c) максимальная доза, так же как и с сов при использовании открытого газового диода с катодом катодом № 1, регистрировалась при частоте следования №1 (a), 2 (b) и 3 (c).

Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. О формировании рентгеновского излучения с высокой частотой следования импульсов... Рис. 7. Излучение объемного разряда в открытом диоде за один импульс с катодом № 1 (a), 2 (b) и 3 (c).

конструкции катода влияло на величину экспозиционной Обсудим полученные результаты. При подаче на продозы рентгеновского излучения. межуток импульса высокого напряжения с субнаносекундной длительностью переднего фронта в области При установке перед дозиметром в плоскости (2) на у анода при приближении фронта плазмы, который рис. 1 свинцового экрана толщиной 5 mm рентгеновское движется от катода, достигается критическое поле [3] излучение во всех режимах не регистрировалось, а и формируется СЛЭП. Амплитуда и энергия СЛЭП при установке в том же месте экрана из алюминия зависят от многих факторов [6], в том числе и от чатолщиной 170 µm показания дозиметра существенно не стоты следования импульсов. Рентгеновское излучение изменялись. В позиции дозиметра (1 ) на рис. 1 за с энергией квантов > 60 keV в основном генерируется боковой стенкой газового диода и корпусом передающей при торможении электронного пучка на аноде. Данные линии рентгеновское излучение за 450 импульсов также исследования впервые показали, что условия формироне регистрировалось.

вания СЛЭП сохраняются при высокой частоте следоваВизуальные наблюдения и фотографии интегрального ния импульсов, в том числе в пачке из 150 импульсов, свечения в газовом диоде показали, что разряд в газовом которые следуют с частотой 1.5 kHz.

Pages:     || 2 |



© 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.