WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 1997, том 67, № 11 04;12 Разряд Пеннинга в электронно-оптических приборах с магнитным сопровождением © Ю.В. Коротаев1, И.Н. Мешков1, В.Н. Поляков1, А.В. Смирнов1, Е.М. Сыресин1, Р. Лей2, Ж. Транквилль2 1 Объединенный институт ядерных исследований, 141980 Дубна, Московская область, Россия 2 Европейский центр ядерных исследований, Женева, Швейцария (Поступило в Редакцию 14 февраля 1996 г.) Анализируются причины возникновения разряда Пеннинга в электронно-оптических устройствах, работающих в условиях среднего и высокого вакуума, при наличии сопровождающего магнитного поля. Рекомендованы способы его подавления. Приведены основные результаты испытаний по устранению разряда Пеннинга на экспериментальном стенде ОИЯИ (г. Дубна) и накопителе антипротонов LEAR CERN (г. Женева).

В электронно-оптических устройствах, работающих в вблизи него возникает потенциальная яма для вторичных условиях среднего и высокого вакуума при наличии электронов. Продольное магнитное поле препятствует сопровождающего магнитного поля может возникать так уходу электронов в поперечном направлении, в результаназываемый разряд Пеннинга [1–4]. К такого рода те чего они оказываются запертыми в потенциальной яме конструкциям относятся, в частности, устройства элек- и осциллируют, возбуждая, вообще говоря, разряд. Велитронного охлаждения, получившие в последнее время чина магнитного поля в эксперименте регулировалась в широкое распространение как необходимая часть нако- пределах 300-500 G. Минимально достижимое давление пителей тяжелых заряженных частиц. В них исполь- составляло 3 · 10-7 Pa.

зуются стационарные электронные пучки достаточно Коллектор, обеспечивающий рекуперацию энергии высокой интенсивности: при энергии электронов в диапучка, имеет конечную эффективность захвата электропазоне 1-300 keV ток пучка составляет соответственно нов: потери пучка из коллектора порядка 10-4 от полного 0.1-5 A. Для снижения потребляемой мощности испольтока. Поэтому он может являться источником вторичных зуется, как правило, рекуперация энергии электронов:

электронов, участвующих в разряде в других частях коллектор помещается под отрицательный потенциал, электронно-оптического тракта.

несколько выше катодного. Геометрия построенной с Для возникновения разряда Пеннинга необходима учетом этих требований электронно-оптической системы ”критическая геометрия”, не только создающая потензачастую благоприятна для зажигания разряда Пеннинга.

циальный барьер для вторичных электронов (рис. 2), Условиями зажигания разряда являются наличие потенно и позволяющая электрону набирать энергию, превыциальной ямы для вторичных электронов, запертых в шающую потенциал ионизации i. Для этого средняя продольном магнитном поле, и достаточной для усконапряженность электрического поля на длине потенцирения электронов до энергии ионизации напряженноальной ямы li должна превышать некоторое критическое сти электрического поля. Особенность этого разряда значение E i/li.

в описываемых устройствах — устранение его после Многократно отражаясь от потенциальных барьеров, специальной ”тренировки”.

теряя свою энергию и снова набирая ее, электрон иониЦелью данного сообщения является обобщение опыта зует остаточный газ, в результате чего в потенциальной устранения разряда Пеннинга при тестировании элеменяме накапливаются вторичные электроны. Процесс натов электронного охлаждения, разрабатывавшихся для накопителя антипротонов LEAR Европейского центра ядерных исследований (CERN, Женева)[5].

Испытания проводились на экспериментальном стенде (рис.1), являющимся натурным макетом системы электронного охлаждения. Он состоит из электронной пушки, катод которой погружен в продольное магнитное поле, а его потенциал Ucath варьируется в диапазоне 0-30 kV, дрейфовой камеры длиной 2 m и коллектора.

Пушка имеет управляющий электрод, потенциал которого Ug может быть как отрицательным, так и положительным относительно земли и изменяется в пределах Рис. 1. Схема экспериментального стенда. 1 — катод, -25-+25 kV. При работе пушки с высоким первеансом, 2 — управляющий электрод, 3 — анод, 4 — соленоид, когда потенциал управляющего электрода положителен, 5 — коллектор, 6 — электронный пучок.

Разряд Пеннинга в электронно-оптических приборах с магнитным сопровождением что в этом случае токи управляющего электрода и пушки ведут себя одинаковым образом в отличие от первого случая, когда разряд в одном из элементов приводит к росту тока только этого элемента.

Важнейшим параметром, определяющим развитие описываемого разряда, является магнитное поле. Характер зависимости тока потерь Ig от величины магнитного поля для случаев Ug > 0 и Ug < 0 существенно разный (рис. 4, a, b). При положительном Ug возрастание величины магнитного поля приводит к более монотонному увеличению тока управляющего электрода, чем в Рис. 2. ”Критическая геометрия” и распределение потен- случае Ug < 0, когда наблюдаются сильные резонансные циала в ней. 1 — вакуумная камера, 2 — эквипотенциаль, зависимости тока от магнитного поля.

3 — электрод.

Каждый раз после цикла вскрытия системы и последующей откачки при включении наблюдается разряд Пеннинга. Как правило, такой напуск атмосферы сопровождается монтажем внутри вакуумного объема новых электродов, которые чистятся возникающим разрядом.

Обычно интервал времени отжига разряда составляет 1-30 h. Известно несколько факторов, уменьшающих влияние разряда. Во-первых, уход от критической геометрии путем закрытия разрядных промежутков специальными экранами. Полость в электроде (рис. 2), где может гореть разряд, накрывается токопроводящей металлической фольгой, имеющей непосредственный электрический контакт с электродом и позволяющей тем не менее производить эффективную откачку. Тогда вторичРис. 3. Зависимость тока управляющего электрода от ный электрон, рожденный внутри полости, находящейся напряжения Ug на нем при значениях Uleath = 5kV, под одним потенциалом с фольгой, не чувствует сильP = 10-6-10-5 Pa и B = 500 (1), 300 G (2).

ного электрического поля между электродом и камерой и его энергия остается достаточно низкой. Во-вторых, предварительная вакуумная обработка внутренних порастает, возникает локальный участок плазмы, закорачивающий промежуток электрод–камера, вследствие чего наблюдается увеличение потребляемого системой тока и давления остаточного газа, а также уменьшение напряжения на электроде. Со временем, по мере ”тренировки”, рабочие параметры устройства, имеющего такую ”критическую геометрию”, восстанавливаются. Это связано с тем, что под воздействием ионов плазмы, бомбардирующих электроды, поверхность последних очищается от адсорбированного ею газа и других ”летучих” элементов, имеющих высокую энергию связи с материалом поверхности. Косвенно это подтверждается экспериментом: чем чище поверхность, тем меньшее время затрачивается на ”тренировку” разряда.

Для пушки, описанной выше, характерны два режима разряда. При работе с Ug < 0 все электроды пушки и коллектора имеют отрицательный потнециал относительно земли. Поэтому разряд может идти с электродов на вакуумную камеру, имеющую земляной потенциал.

По мере роста абсолютного значения потенциала управляющего электрода |Ug| ток Ig на него растет (рис. 3).

Если Ug > 0, то геометрия разряда изменяется. Теперь система в целом от пушки до коллектора имеет ”критиРис. 4. Зависимость тока управляющего электрода от значения ческую геометрию” и разряд перемещается в приосевую магнитного поля для Ucath = 5kV. a Ug: 1 — -20, 2 — -15, область вблизи управляющего электрода. Характерно, 3 — -10 kV; b Ug: 1 — +20, 2 — +14.3, 3 — +9.5kV.

Журнал технической физики, 1997, том 67, № 126 Ю.В. Коротаев, И.Н. Мешков, В.Н. Поляков, А.В. Смирнов, Е.М. Сыресин, Р. Лей, Ж. Транквилль тря на увеличение потенциалов катода и управляющего электрода. Затем, выключив напряжение управляющего электрода (точка 3), увеличиваем магнитное поле до 500 G и вновь подаем напряжение на управляющий электрод. Далее при фиксированном катодном потенциале в интервале 3-4 с определенным по времени шагом увеличивали Ug. Разряд снова возбуждался, а с некоторого момента (точка 4) наблюдается резкое увеличение остаточного давления и потерь токов. В этом случае требовалась выдержка во времени фиксированных значений потенциалов катода и управляющего электрода (интервал 4-5). После стабилизации снова делается попытка увеличить Ug. Каждое увеличение Ug сопровождается резким ростом токов разряда и давления (точки 4, 6, 8) и ожиданием во времени (интервалы 4-5, 6-7). Результатом такого ступенчатого изменения параметров является уменьшение со временем потерь токов и остаточного давления до приемлемых значений при достижении максимальной разности катодного и управляющего напряжений (точка 8). Интервал 8-9 и последующие отвечают нормальной работе экспериментального стенда при некотором перераспределении потенциалов Ug и Ucath, когда токи Ilos, Ig в основном определяются уже собственными утечками элементов электронного охлаждения, а не развитием разряда Пеннинга. Некоторый спад величины магнитного поля во времени связан с прогревом соленоидов магнитной системы.

Рис. 5. Зависимость катодного Ucath и управляющего Ug напряжений, токов потерь всей системы Ilos и управляющего электрода Ig, остаточного давления P и магнитного поля B от Список литературы времени в процессе тренировки разряда Пеннинга.

[1] Грановский В.И. Электрический ток в газе. Устойчивостатический ток. М.: Наука, 1971. 543 с.

[2] Мухамедов Р.Ф. // ЖТФ. 1975. Т. 45. Вып. 9. С. 1992–1994.

верхностей. Так, например, при установке электронной [3] Мухамедов Р.Ф. // ЖТФ. 1973. Т. 43. Вып. 8. С. 1677–1684.

пушки на накопитель LEAR она подверглась предва[4] Крейндель Ю.Е., Ионов А.С. // ЖТФ. 1964. Т. 34. Вып. 7.

рительной чистке по специальной технологии CERN.

С. 1199–1205.

К тому же рабочее давление в накопителе составляет [5] Meshkov I.N. et al. // Nucl. Instr. and Meth. 1995. Vol. AP. 208–222.

P = 10-10-10-9 Pa. Разряд Пеннинга при этом не наблюдается.

Типичный пример ”тренировки” приведен на рис. 5.

Как видно, регулирование напряжениями на катоде и управляющем электроде и магнитным полем позволяет со временем снизить токи этих элементов и давление.

Процесс тренировки проводится следующим образом.

Включаются регулируемые источники питания соленоидов, затем подается высокое напряжение на катод электронной пушки. В магнитном поле 450 G разряд загорается уже при напряжении на катоде Ucath около 1 kV.

При этом наблюдается резкое возрастание остаточного давления, однако разрядный ток Ig при этом увеличивался незначительно. После некоторой выдержки вводится напряжение на управляющий электрод, которое затем увеличивается со временем при фиксированном значении потенциала катода (интервал 0-1). Процесс развития разряда и соответственно качество его тренировки отслеживается по изменению давления и токов потерь Ilos, Ig. В интервале 1-2 разряд стабилизируется, несмоЖурнал технической физики, 1997, том 67, №




© 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.