WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. 12 Краткие сообщения 03;04;10 О режиме формирования электронного пучка в газовом диоде при высоком давлении 2 © С.Б. Алексеев,1 В.М. Орловский,1 В.Ф. Тарасенко,1 А.Н. Ткачев,2 С.И. Яковленко 1 Институт сильноточной электроники СО РАН, 634055 Томск, Россия e-mail: VFT@loi.hcei.tsc.ru 2 Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, 119991 Москва, Россия e-mail: syakov@kapella.gpi.ru (Поступило в Редакцию 12 января 2005 г.) Экспериментально исследованы режимы формирования электронного пучка при повышенном давлении в криптоне, неоне, гелии и азоте. Показано, что при изменении давления криптона от 70 до 760 Torr, неона от 150 до 760 Torr и гелия от 300 до 4560 Torr пучки формируются из убегающих электронов в тот момент, когда плазма в разрядном промежутке приближается к аноду и начинает выполняться нелокальный критерий убегания электронов. Проведены расчеты, моделирующие предыонизацию разрядного промежутка быстрыми электронами, демонстрирующие, что для обеспечения предыонизации разрядного промежутка длительность фронта импульса напряжения при атмосферном давлении должна быть субнаносекундной.

Введение встроена дополнительная передающая линия с волновым сопротивлением 40. Генератор формировал на В работах, подытоженных в обзоре [1], были получены согласованной нагрузке 40 импульс с напряженисубнаносекундные электронные пучки рекордной амплием 180 kV. Длительность импульса на полувысоте туды тока в газовом диоде при атмосферном давлении.

составляла 1.5 ns, при фронте импульса напряжеПоказано, что эти пучки формируются из убегающих ния 0.5 ns. Катод, как и в работах [3–5], представлял электронов в тот момент, когда плазма в разрядном прособой набор трех цилиндров (диаметры 12, 22, 30 mm) межутке приближается к аноду и начинает выполняться из Ti фольги толщиной 50 µm, вставленных друг в нелокальный критерий убегания электронов (о нелодруга и закрепленных на дюралевой подложке. Все кальном критерии подробнее см. обзоры [1,2]). Предцилиндры из фольги имели общую ось. Высота цилинставляет интерес исследовать этот механизм на более дров уменьшалась на 2 mm от цилиндра с меньшим широком круге газов (в том числе на тяжелых газах) и диаметром к цилиндру с большим диаметром. Зазор гапри давлениях выше атмосферного. Ранее при давленизового промежутка изменялся от 10 до 28 mm. Плоский ях, существенно превышающих атмосферное давление, анод, через который осуществлялся вывод электронного исследования не проводились. Нами предварительные пучка, был образован AlBe фольгой толщиной 40-45 µm исследования в этом направлении проведены в рабоили сеткой. Зазор газового промежутка изменялся от тах [3–5].

до 28 mm. Импульс отрицательного напряжения подаВ данной работе исследованы режимы формировавался на катод при давлении криптона, или неона, или ния электронного пучка при повышенных давлениях.

Использовались газы: криптон, неон и гелий и азот.

Исследования для криптона в этих условиях проведены впервые.

Проведено моделирование распространения группы быстрых электронов, демонстрирующее, что для обеспечения предыонизации разрядного промежутка длительность фронта импульса напряжения при атмосферном давлении должна быть субнаносекундной.

Экспериментальная установка Рис. 1. Блок-схема ускорителя электронов с газовым диодом.

В экспериментах использовался модернизированный 1 — генератор импульсов, 2 —корпус, 3 — обострительный генератор наносекундных импульсов СИНУС, который разрядник, 4 — высоковольтный вывод, 5 — изолятор, 6 — подробно описан в [6]. В генераторе (рис. 1) была катод, 7 —анод.

90 С.Б. Алексеев, В.М. Орловский, В.Ф. Тарасенко, А.Н. Ткачев, С.И. Яковленко гелия в газовом промежутке от 1 до 760 torr. Кроме того, для гелия измерения были проведены при давлении в газовом промежутке от 760 до 4560 torr (от 1 до 6 atm).

Для азота измерения были также проведены при повышенном давлении в газовом промежутке (от 1 до 4 atm).

Ток пучка измерялся с помощью коллекторов различного диаметра (от 12 до 50 mm), установленных на расстоянии 10 mm от фольги. Кроме тока пучка электронов одновременно измерялись „полный“ ток диода и напряжение на промежутке. Для регистрации сигналов с емкостного делителя, коллектора и шунтов применялся осциллограф TDS-7405 с полосой 4 GHz, имеющий до 20 GS/s (20 точек на 1 ns), или осциллограф TDS334 с полосой 0.3 GHz, имеющий 2.5 GS/s (2.5 точки на 1ns). Измерения при заполнении газового диода гелием Рис. 3. Зависимость амплитуды тока разряда в диоде (1), и азотом были проведены с осциллографом TDS-7405, напряжения на газовом диоде (2), плотности тока пучка за а в криптоне и неоне — с осциллографом TDS-334.

фольгой (3) и длительности тока пучка на полувысоте (4) от Свечение разряда фотографировалось цифровым фотодавления гелия.

аппаратом.

Экспериментальные результаты На рис. 2 показаны зависимости амплитуды тока разряда через диод, напряжения на промежутке, плотности тока пучка электронов за фольгой и длительности импульса тока пучка на полувысоте для криптона и неона, а на рис. 3 и 4 — для гелия. При формировании электронного пучка в гелии измерения были проведены при временном разрешении системы регистрации 0.1ns и максимальном давлении до 6 atm (рис. 5). Зависимость, приведенная на рис. 2 для криптона подобна зависимостям, полученнымнами ранее для гелия и неона [3]. При этом в криптоне, как в более тяжелом газе, плотность тока за фольгой была меньше, а также уменьшилось давление криптона, при котором начинается рост амплиРис. 4. Зависимость амплитуды напряжения на газовом диотуды тока пучка.

де (1), плотность тока пучка за фольгой (2) и длительности тока пучка на полувысоте (3) при давлениях гелия от до 6 atm и межэлектродном зазоре 16 mm.

Анализируя данные на рис. 2 и 3, можно выделить два основных режима работы диода. Первый режим, который был описан нами ранее в [3], наблюдается при давлениях гелия менее 100 Torr (E/p > > 0.6kV/(Torr · cm)), давлениях неона менее 50 Torr (E/p > 1.2kV/(Torr · cm)) и давлениях криптона менее 20 Torr (E/p > 2.5kV/(Torr · cm)). Для него характерно значительное увеличение амплитуды и длительности тока пучка электронов за фольгой при малых давлениях гелия, неона и криптона. Данные зависимости при уменьшении давления соответствуют переходу к режиму ускорения электронов, реализованному в [7].

В этом режиме критическое поле достигается между Рис. 2. Зависимость амплитуды тока разряда в диоде (Id), электродами газового диода или между катодом и обланапряжения на газовом диоде (Ud), плотности тока пучка за стью избыточного положительного заряда в промежутке.

фольгой (Ie) и длительности тока пучка на полувысоте (t0.5Ie ) от давления криптона и неона. Для достижения критического поля в первом режиме Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. О режиме формирования электронного пучка в газовом диоде при высоком давлении существенно меньших критических (достаточных для убегания значительного количества электронов), т. е.

изменение давления криптона, неона и гелия в газовом диоде в несколько раз не повлияло на амплитуду тока пучка электронов за фольгой. Такое поведение тока пучка с изменением давления однозначно доказывает предположение о формировании пучка электронов в области между расширяющейся от катода плазмой и анодом. При увеличении давления критическое значение параметра E/p достигается на пропорционально меньшем расстоянии до анода. Отметим, что параметры пучка электронов не будут существенно изменяться в этих условиях только при сохранении объемного характера разряда и его геометрических размеров. В гелии это условие выполнялось и параметры пучка электронов не изменились и при максимальном давлении 6 atm. ФормиРис. 5. Осциллограммы импульсов тока пучка электронов, порование пучка электронов при более высоком давлении лученные в газовом диоде при давлении гелия 1 (a) и3 atm(b).

в данной работе не исследовалось. В работе приведены Площадь коллектора для регистрации тока пучка 1 cm2. Масфотографии свечения разряда в гелии при давлении 1, штаб по горизонтали 0.1 ns/div, масштаб по вертикали 3.7 (a) and 7.8 A/div (b).

Рис. 6. Свечение разряда в газовом диоде при различных давлениях гелия и межэлектродном зазоре 16 mm.

при повышении давления в газовом диоде необходимо уменьшать межэлектродный зазор до долей миллиметра и менее. Однако в этих условиях из-за увеличения электрического поля на катоде за счет взрывной эмиссии электронов наблюдается образование плазмы на катоде.

Катодная плазма очень быстро замыкает промежуток, и электронный пучок убегающих электронов заметной амплитуды не успевает сформироваться.

Наиболее интересен второй режим, который был использован для получения субнаносекундных электронных пучков [1,3–5] при давлении 1 atm и выше. Так, (рис. 2–4) при давлениях гелия более 300 Torr, неона более 100 Torr и криптона более 50 Torr амплитуда тока пучка электронов, амплитуды напряжения на промежутке и тока разряда мало изменяются. При этом значение параметра E/p уменьшилось во всех газах до значений Рис. 7. То же, что и на рис. 6, при различных давлениях азота.

Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. 92 С.Б. Алексеев, В.М. Орловский, В.Ф. Тарасенко, А.Н. Ткачев, С.И. Яковленко носом электронов или фотонов, а размножением уже имеющихся электронов малой фоновой плотности. В то же время повышенная фоновая плотность электронов формируется за счет предыонизации газа быстрыми электронами, предшествующими волне размножения.

Ниже представлены результаты моделирования распространения группы быстрых электронов в гелии при атмосферном давлении. Моделирование размножения и убегания электронов в гелии было проведено так же, как и в работах [1,2] на основе одной из модификаций метода частиц (подробнее см. [8]). Использовались релятивистские сечения [9].

Прослеживались координаты и импульсы группы самых быстрых электронов. В процессе моделирования отслеживалось общее число электронов n. Если это число на некотором временном шаге превышало заданное Рис. 8. Зависимость амплитуды импульсов напряжения (1), плотности тока пучка электронов (2) и длительности тока пуч- значение nmax, то выполнялась процедура отбрасывания ка на полувысоте (3) от давления азота при межэлектродном части медленных электронов, так чтобы число оставшихзазоре 16 mm.

ся было равно nmin. Оставлялись электроны с максимальными проекциями импульса на направление поля. Перед отбрасыванием вычислялись и запоминались средние значения координаты вдоль поля l1 и импульса p1 по и 6 atm и межэлектродном зазоре 16 mm (рис. 6). Видно, всем электронам. После отбрасывания вычислялись и зачто разряд в газовом диоде носит объемный характер поминались средние значения координат l2, импульса pи геометрические размеры газоразрядной плазмы сохрапо группе быстрых электронов. Далее рассматривалось няются. Отметим, что во всех используемых в данной движение и размножение этих быстрых электронов до работе атомарных газах при исследованных давлениях тех пор, пока n < nmax.

формировался объемный разряд.

Была проведена серия расчетов при различных значеНа рис. 7 приведено свечение разряда в азоте при ниях напряженности электрического поля E. Давление давлениях 1, 2, 3 и 4 atm. При давлении 4 atm яркий гелия полагалось равным p = 1 atm. Движение электроканал перемыкает промежуток. Серия фотографий при нов прослеживалось до момента времени t = = 1ns.

различных давлениях на рис. 4 показывает, что канал Было положено nmax = 2000, nmin = 1000.

распространяется от катода. Особо обратим внимание Из результатов расчетов следует, что объемная предна то, что при увеличении давления меняется форма ыонизация на заданной длине произойдет за заданразряда, а когда искровой канал перемыкает разрядный промежуток времени лишь в том случае, если ный промежуток, амплитуда тока пучка резко падападение напряжения на этой длине будет достаточно ет (рис. 7, 8). На рис. 8 показаны для этих условий большим. Для иллюстрации этого факта на рис. зависимости напряжения на промежутке, плотности тока представлены зависимости падения напряжения U = El пучка электронов за фольгой и длительности импульса тока пучка на полувысоте. Параметры тока пучка измерялись с временным разрешением 0.1 ns. Особенностью формирования пучка в азоте является изменение геометрических размеров разрядной плазмы (рис. 7).

При увеличении давления выше 1 atm поперечные размеры плазмы уменьшались, что приводит к уменьшению амплитуды тока пучка (рис. 8). Данное уменьшение амплитуды тока пучка связано с уменьшением величины емкости между плазмой, расширяющейся от катода и анодом. Как показали исследования, амплитуда тока пучка, убегающих электронов зависит от геометрических размеров разрядной плазмы и ее однородности.

Распространение быстрых электронов лавины Рис. 9. Зависимость падения напряжения U = El на длине Согласно представлениям, подытоженным в [1,2], расl = l1 l2, соответствующей средней координате быстрых пространение разряда в плотном газе (в случае форэлектронов, от этой длины l для различных моментов времени мирования электронного пучка) определяется не пере- = 0.1, 0.5, 1 ns.

Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. О режиме формирования электронного пучка в газовом диоде при высоком давлении от длины l = l1 l2, соответствующей средней коор- газа быстрыми электронами, предшествующими волне динате быстрых электронов для различных моментов размножения.

времени = 0.1, 0.5, 1 ns. Эти зависимости показывают, Авторы благодарят С.Д. Коровина за предоставление какое напряжение U следует превысить, чтобы быстрые генератора импульсов СИНУС.

электроны осуществили предыонизацию разрядного промежутка с данным расстоянием между электродами l за время, меньшее. Видно, что для осуществления Список литературы предыонизации за наносекунду сантиметрового промежутка, заполненного гелием, при атмосферном давлении [1] Тарасенко В.Ф., Яковленко С.И. // УФН. 2004. Т. 174. № 9.

С. 953–971.

требуется напряжение более 100 kV. Это соответствует [2] Tkachev A.N., Yakovlenko S.I. // Central European J. Physics экспериментальным фактам.

(CEJP). 2004. Vol. 2 (4). P. 579–Впрочем, зависимости на рис. 9 можно трактовать и (www.cesj.com/physics.html).

иначе. Они показывают, что для обеспечения предыони[3] Алексеев С.Б., Орловский В.М., Тарасенко В.Ф. и др. // зации разрядного промежутка заданной длины при Краткие сообщения по физике ФИАН. 2004. № 6. С. 10– заданном напряжении длительность фронта импульса 18.

должна быть меньше того времени, для которого [4] Алексеев С.Б., Губанов В.П., Орловский В.М., Тарасенпостроена данная кривая.

ко В.Ф. // Письма в ЖТФ. 2004. Т. 30. Вып. 20. С. 35–41.

[5] Алексеев С.Б., Губанов В.П., Орловский В.М. и др. // ДАН.

2004. Т. 398. № 5. С. 611–614.

Выводы [6] Губанов В.П., Коровин С.Д., Пегаль И.В. и др. // Изв.

вузов. Физика. 1996. № 12. С. 110–118.

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.