WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. 4 05;10;11;12 Исследования характеристик металлокерамического катода © Ю.А. Котов, С.Ю. Соковнин, М.Е. Балезин Институт электрофизики УрО РАН, 620016 Екатеринбург, Россия e-mail: sokovnin@iep.uran.ru (Поступило в Редакцию 23 января 2002 г.) Приведены результаты исследований влияния размера металлических частиц, плотности их распределения на поверхности керамики и типа керамики на различные характеристики металлокерамического (МК) катода для наносекундных ускорителей электронов. Показано, что МК катод имеет повышенную эмиссионную способность при относительно небольших значениях напряженности электрического поля в вакуумном диоде, что позволяет существенно обострить и увеличить ток пучка (мощность). Установлено, что имеется возможность управлять эмиссионными свойствами МК катода посредством изменения состава МК пластины.

Введение та импульса 10.1-0.9 = 46 ns, частота срабатывания f 200 Hz. Давление в камере вакуумного диода Создание мощных наносекундных генераторов с часоставляло 10-1-10-2 Pa, откачка производилась насостотой следования импульсов до kHz и ресурсом сом АВР-50 без вымораживания масляных паров.

до 1010-1011 импульсов [1,2] обусловило разработки Конструкция катодного узла аналогична [6], МК ускорителей электронов, перспективных для технолопластина также ставилась ребром, но ее закрепление гий [3,4].

на катододержателе осуществлялось с помощью цанТаким ускорителям требуются дешевые, имеющие гового зажима. Фотография частиц из нержавеющей высокий ресурс и воспроизводимые характеристики кастали на поверхности МК пластины представлена на тоды. Для этой цели мы предложили и исследуем металрис. 1.

локерамический (МК) катод [5], представляющий собой таблетку диаметром 12 mm и толщиной 2 mm из оксид- В экспериментах использовалась измерительная синой нанокерамики, в которой относительно равномерно стема, описанная в [6]. Дополнительно регистрировалось по объему распределены металические частицы, часть интегральное распределение свечения плазмы на МК которых выходит на поверхность. За счет существенной пластине фотоаппаратом „Зенит-Е“ с открытым затворазницы в температурных коэффициентах линейного ром на фотопленке РФ-3 через прозрачное (из оргстекла расширения у керамики и металла при остывании такой марки „Сол“) окно в вакуумной камере, находящееся системы после синтеза вокруг металлических частиц напротив МК пластины.

образуются микрополости, которые служат, видимо, поставщиками газа при поверхностном образовании плазмы на МК катоде.

Первыми исследованиями такого катода было установлено [6,7], что он обладает высокой эмиссионной способностью (не ограничивает мощность ускорителя и обеспечивает высокую скорость нарастания тока при относительно небольшой площади эмиссии), позволяет получать высокую однородность распределения плотности электронов на аноде и обеспечивает обострение мощности ускорителя электронов (по сравнению с металлодиэлектрическим катодом тех же размеров с десятью эмиссионными центрами), который ранее использовался на ускорителе [4].

Здесь мы приводим результаты исследований влияния размера металлических частиц D, плотности n их распределения на поверхности и типа керамики на различные характеристики МК метода.

Методика эксперимента Использовался наносекундный ускоритель УРТ-0.5 [4]:

ускоряющее напряжение U 500 kV, длительность импульса на полувысоте tu 50 nc, длительность фрон- Рис. 1. Поверхность МК пластины.

Исследования характеристик металлокерамического катода Результаты экспериментов и их обсуждение Параметры исследованных типов МК пластин приведены в табл. 1. Для всех типов МК катодов практически всегда имеется временная задержка t1 начала тока в диоде относительно напряжения (рис. 2, 3, b). Видно, что характер изменения t1 от расстояния катод–анод d (расстояние от кромки керамической таблетки высотой h до плоскости анода [6]) остается одним и тем же: в области d 30 mm время задержки нарастает с увеличением d, в области же d 30 mm t1 практически не изменяется с изменением d для всех типов исследованных катодов, что подтверждает наличие эффекта полного напряжения [6], который обусловлен как геометрией электродов, так и десорбцией газа, особенно из микрополостей.

Для Al2O3 керамики t1 слабо увеличивается с ростом плотности частиц на поверхности МК катода (и 1889 в табл. 2) и практически не зависит от размера частиц (1885, II-1). При изменении же типа керамики с Al2O3 (относительная диэлектрическая постоянная = 9.6) на TiO2 ( = 170) t1 возросла почти в два раза (II-1 и 1891).

Это показывает коренное отличие рассматриваемого Рис. 2. Временная задержка между приходом импульса на процесса от разряда вдоль поверхности диэлектрика пряжения и началом импульса тока для МК катодов разного в вакууме [8], где напряжение зажигания разряда и состава от расстояния анод–катод. Цифры у кривых — номер задержка появления тока разряда уменьшаются с ростом катодов.

диэлектрической проницаемости и увеличением относительной высоты диэлектрической пластины в вакуумном зазоре.

рывателя и увеличить выходную мощность [9]. Так как Правильный выбор момента подключения нагрузки время обрыва тока используемого полупроводникового на этапе быстрого роста импеданса прерывателя тока прерывателя лежит в пределах = 30 ns, увеличение tлюбого типа позволяет улучшить условия работы преприводит вначале к росту выходной мощности, а затем к ее уменьшению (табл. 2), когда t1 >. В последнем слуТаблица 1. Исследованные типы МК катодов чае максимум мощности достигается на заднем фронте напряжения (рис. 3, a, 1891).

№катода Керамика D, µm n, 1/cmНаблюдается практически линейная зависимость КПД передачи энергии от t1 (табл. 2). Однако для МК 1886 Al2O3 9 пластины 1891, где t1 >, увеличение КПД достигается за счет увеличения доли низкоэнергетичных электронов, 1888 Al2O3 9 формируемых на заднем фронте напряжения.

Максимум мощности ускорителя Pm достигается при МК катодах типа 1888–1890 (табл. 1) и в два раза II-1 Al2O3 26 превышает значение Pm для МДМ катода (рис. 3, a, табл. 2). МК катод позволяет получать существенно 1892 TiO2 9 более высокие скорости нарастания тока, чем МДМ катод [7]: так, в наших экспериментах при d = 47 mm средняя скорость нарастания тока di/dt (от момента его начала до уровня 0.9 от максимума напряжения) Таблица 2. Результаты экспериментов для d = 47 mm составляет 0.84 и 1.7 · 1010 A/s, а амплитуда тока № t1, ns Мощность, I, A Энергия КПД передачи энери 358 A для МДМ и МК катода 1888 соответственно.

катода MW в пучке, J гии в пучок, % Одновременно происходит укорочение импульсов напряжения с 68 до 50 ns и тока с 92 до 44 ns (на полувысоте) 1891 40 155 428 6.73 30.для МДМ и МК катода 1888 соответственно.

1889 22 181 581 5.65 25.II-1 18 125 330 5.24 23.6 Так как скорости нарастания и амплитуды напряжения 1885 14 137 556 4.97 22.4 были в обоих случаях очень близки (рис. 3, b), можно MDM 14 91 251 4.33 19.заключить, что МК катод позволяет не только обострять, Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. 126 Ю.А. Котов, С.Ю. Соковнин, М.Е. Балезин Таблица 3. Результаты расчетов и экспериментов для d = 47 mm № t1, Uio, Eio, E1, U0 Rmax, образца ns kV kV/cm kV/cm 1885 14 149 4.93 2669 9.56 II-1 18 200 6.64 790 2.10 1890 22 246 8.14 960 2.08 1891 40 376 0.77 287 0.37 но и увеличивать выходную мощность ускорителя. Причиной, объясняющей этот эффект, может быть более высокая и нарастающая с большей скоростью эмиссионная способность МК катода, обусловленная быстро увеличивающейся эмиттирующей плазменной поверхностью и/или высокой концентрацией плазмы.

Чтобы наблюдать работу МК катода без дуговой стадии, усложняющей интерпретацию экспериментальных данных, был организован срез импульса напряжения за счет пробоя вакуумного изолятора [10] (изменением числа его секций, рис. 4). Фотопленкой при этом регистрируется только слабое свечение в точках контакта МК пластины с катододержателем, даже при наложении 30 импульсов на один кадр. Это позволяет сделать вывод о начале поверхностного разряда с одних и тех же точек контакта МК пластины с катододержателем и о низкой концентрации плазмы на поверхности МК пластины.

Все эти данные позволяют заключить, что плазма с низкой концентрацией появляется практически одновременно на большой площади пластины, что и объясняет высокую эмиттирующую способность катода, а Рис. 3. a —напряжение (U для катода 1891) и мощность также высокий ресурс и хорошую воспроизводимость в электронном пучке для различных катодов для расстояния d = 47 mm, b — напряжения и ток для МДМ (1) и МК като- характеристик. Причиной появления плазмы на большой да 1888 для расстояния d = 47 mm.

площади, видимо, является инициирование последовательного пробоя микропор у металлических частиц по МК пластине.

Выполненные расчеты показали (табл. 3), что время задержки t1 прямо пропорционально величине средней напряженности электрического поля Eio в момент начала тока в диоде по поверхности МК пластины между металлическими частицами одного диаметра D, что маловероятно и подтверждает гипотезу [6] о том, что главные события развиваются не на поверхности МК пластины, а в ее микропорах. Так, для одного D имеется (табл. 3) обратная зависимость t1 от средней напряженности поля E1 в микропоре шириной (E1 Eio/(n0.5)), что не противоречит имеющимся представлениям.

Можно отметить, что задержка появления тока при данной напряженности поля по порядку величины совпадает с задержкой при взрывной эмиссии [11], где t1 E4, однако в нашем случае t1 E2. Причины этого расхождения, видимо, предстоит выяснить.

Если в качестве параметра взять безразмерное наРис. 4. Ускоряющее напряжение (U1, U2 и U6), ток анода (Iпряжение U0 1/(n0.5D), возникающее при зарядке и I6) для разного количества секций вакуумного изолятора.

одной частицы токами смещения при Uio (с учетом ее Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. Исследования характеристик металлокерамического катода емкости и размера D), и построить зависимость средней напряженности поля в микропоре E1 от этого параметра (рис. 5, b), видно, что при уменьшении d зависимость переходит от практически линейной к логарифмической, что можно объяснить эффектом полного напряжения.

По своей сути, параметр U0 является обобщенной характеристикой эмиссионных свойств МК пластины.

Использование этого параметра позволяет объяснить близкие значения t1 катодов с существенно разными характеристиками. Так, для катодов II-1 и 1890 значение U0 составляет 2.08 и 2.1 соответственно. Как видно (табл. 3), эти катоды имеют близкие значения t1.

Таким образом, можно прогнозировать свойства МК катодов, исходя из состава МК пластин, используя полученные данные и параметр U0 (рис. 6). Так, можно оценить, что при увеличении диаметра частиц в МК пластине II-1 до D = 50 µm, t1 составит около 28 ns.

Важным параметром, определяющим свойства катода, является импеданс диода. Желательно иметь возможность оценивать значение импеданса в момент максимума напряжения Rmax, так как именно в этот момент формируется пучок максимальной энергии. Из экспериментальных данных видно (табл. 3), что имеется Рис. 6. a — зависимость времени задержки t1 от безразмернообратная зависимость Rmax от параметра U0, однако го напряжения U0 (d = 47 mm), b — зависимость импеданса Rmax в момент максимума напряжения от напряженности поля E1 в микрополости (d = 47 mm).

наиболее очевидна зависимость Rmax от 1/E1 (рис. 6, b).

Используя эту зависимость, можно оценить, что при увеличении диаметра частиц в МК пластине II-1 до D = 50 µm E1 составит около 590 kV/cm, а Rmax —около 1300, т. е. эмиссионные свойства МК катода снизятся.

Сказанное выше подтверждает, что распределение электрического поля до начала тока чисто емкостное, причем существен как материал керамики, так и количество и размер металлических частиц, что в свою очередь означает, что в процессе участвует большинство частиц МК пластины.

Заключение Полученные результаты показывают, что предложенный тип катода обладает рядом интересных для эксплуатации технологических ускорителей характеристик.

Имеет повышенную эмиссионную способность при относительно небольших значениях напряженности электрического поля в вакуумном диоде, что позволяет существенно обострить и увеличить ток (мощность), т. е.

уменьшить низкоэнергетическую составляющую спектра пучка без применения специальных устройств и, следовательно, улучшить условия работы фольги для вывода пучка.

Рис. 5. a — зависимость напряженности поля E1 в микроИмеется возможность управлять эмиссионными свойполости от расстояния d, b — зависимость напряженности ствами МК катода посредством изменения состава МК поля E1 в микрополости от безразмерного напряжения U0 при различных значениях d. пластины (размера металлических частиц, их плотности Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. 128 Ю.А. Котов, С.Ю. Соковнин, М.Е. Балезин на поверхности и диэлектрической постоянной материала керамики).

В отличие от разряда вдоль поверхности диэлектрика в вакууме [8] для МК катода напряжение Uio, соответствующее началу тока, увеличивается с ростом диэлектрической проницаемости и уменьшением относительной высоты МК пластины h.

Длительная эксплуатация (более 108 импульсов) показала, что такой катод не изменяет своих характеристик, и они прекрасно воспроизводятся от импульса к импульсу и от образца к образцу одного и того же типа.

Авторы выражают свою признательность И.В. Бекетову, О.М. Саматову, А.М. Мурзакаеву, В.Р. Хрустову и В.М. Тельновой, участвовавших в изготовлении МК пластин, а также В.И. Кожевникову за помощь в экспериментах.

Работа выполнена при частичной поддержке Уральского научно-образовательного центра „Перспективные материалы“ в рамках российско-американской программы поддержки фундаментальных исследований (CRDF (REC-005)).

Список литературы [1] Kotov Yu.A., Mesyats G.A., Rukin S.N. et al. // Digest of Technical Papers 9th IEEE Pulsed Power Conf. Albuquerque, 1993. Vol. 1. P. 134–139.

[2] Kotov Yu.A., Mesyats G.A., Korzhenevskii S.R. et al. // Proc.

10th IEEEPulsed Power Conf. Santa Fe (New Mexico), 1995.

P. 1231–1234.

[3] Котов Ю.А., Соковнин С.Ю. // ПТЭ. 1997. № 4. С. 84–86.

[4] Котов Ю.А., Соковнин С.Ю., Балезин М.Е. // ПТЭ. 2000.

№2. С. 112–115.

[5] Котов Ю.А., Соковнин С.Ю., Балезин М.Е. Патент РФ.

№ 2158982.

[6] Котов Ю.А., Литвинов Е.А., Соковнин С.Ю., Балезин М.Е., Хрустов В.Р. // ДАН. 2000. Т. 370. № 3. С. 332– 335.

[7] Kotov Yu.A., Sokovnin S.Yu., Balezin M.E. // Proc.

12th Symposium on High Current Electronics. Tomsk, 2000.

P. 38–42.

[8] Бугаев С.П., Кремнев В.В., Тереньтьев Ю.И., Шпак В.Г.

и др. // ЖТФ. 1971. Т. 41. Вып. 9. С. 1958–1962.

[9] Котов Ю.А., Лучинский А.В. // Физика и техника мощных импульсных систем / Под ред. Е.П. Велихова. М.: Энергоатомиздат, 1986. С. 189–210.

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.