ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2014, том 40, № 5, с. 480-488
ПУЧКИ В ПЛАЗМЕ
УДК 537.523.9
ГЕНЕРАЦИЯ СВЕРХКОРОТКОГО ЛАВИННОГО ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА И РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКОМ РЕЖИМЕ
© 2014 г. Е. Х. Бакшт*, А. Г. Бураченко*, М. В. Ерофеев***, В. Ф. Тарасенко***
* Институт сильноточной электроники СО РАН, Томск, Россия ** Томский политехнический университет, Томск, Россия e-mail: bag@loi.hcei.tsc.ru, vft@loi.hcei.tsc.ru, beh@loi.hcei.tsc.ru, mve@loi.hcei.tsc.ru Поступила в редакцию 26.09.2013 г. Окончательный вариант получен 21.11.2013 г.
В импульсно-периодическом режиме исследованы генерация сверхкороткого лавинного электронного пучка (с.л.э.п.) и рентгеновского излучения в азоте, а также переход от режима однократных импульсов к режиму с высокой частотой следования импульсов. Показано, что в импульсно-пери-одическом режиме длительность с.л.э.п. на полувысоте больше, а скорость спада напряжения на промежутке меньше, чем в режиме однократных импульсов. Установлено, что экспозиционная доза рентгеновского излучения в импульсно-периодическом режиме увеличивается при давлении азота 90 Торр более чем на порядок, если фронт импульса напряжения уменьшается с 2.5 до 0.3 нс. Число электронов в с.л.э.п. при этом также возрастает. Показано, что при импульсно-периодическом режиме и формировании диффузного разряда нагрев газа в разрядном промежутке приводит к увеличению амплитуды с.л.э.п. (числа электронов в пучке) в несколько раз. При напряжении генератора 25 кВ и давлении азота 90 Торр пучок убегающих электронов зарегистрирован за анодной фольгой при частоте следования импульсов 3.5 кГц.
DOI: 10.7868/S0367292114050023
1. ВВЕДЕНИЕ
Убегающие электроны (УЭ) при повышенных давлениях различных газов оказывают суще-
ственное влияние на процессы, происходящие при наносекундных разрядах в неоднородном электрическом поле и генерацию рентгеновского излучения [1—6]. Благодаря генерации УЭ и рентгеновского излучения при давлении одна атмосфера и более в воздухе и других газах формируются диффузные разряды [2—9]. В ряде работ со-
общалось о прямой регистрации посредством коллектора или шунта за анодом из фольги или сетки пучков УЭ, генерируемых в воздухе атмосферного давления (см. [2—6, 8—17] и ссылки в этих работах). В работе [15] пучок УЭ, регистрируемый за анодом газового диода, было предложено называть сверхкороткий лавинный электронный пучок (с.л.э.п.).
Обоснуем такое название. В режиме однократных импульсов длительность с.л.э.п. на полувысоте в воздухе атмосферного давления со всей поверхности анодной фольги составляет ~0.1 нс [3—
6, 8, 11, 16]. Поэтому с.л.э.п. является "сверхкоротким". Измерения длительности и амплитуды с.л.э.п. с временным разрешением до 20 пс [13, 14], проведенные в последние годы, подтвердили этот результат и позволили уточнить длительность и амплитуду с.л.э.п. в различных условиях
вывода пучка через анод. Мы считаем, что основное число убегающих электронов при пробое в неоднородном электрическом поле генерируется между поляризованным фронтом волны ионизации и анодом [4, 11, 15, 17]. При этом концентрация плазмы за фронтом волны ионизации весьма высокая. Это приводит к вытеснению электрического поля из области волны ионизации и ее фронта, Для формирования плотной плазмы необходимо развитие значительного числа электронных лавин в промежутке, которые перекрываются и с большой скоростью заполняют промежуток от катода к аноду. Поэтому в термине с.л.э.п. используется слово "лавинный". В данном режиме разряда нет генерации лавин убегающих электронов, предложенных в [18]. К эффективной генерации с.л.э.п. приводит образование обычных электронных лавин, перекрытие их головок во фронте волны ионизации и вытеснение электрического поля из плотной плазмы [6, 11, 13].
К настоящему времени большинство прямых измерений с.л.э.п. с помощью коллектора или шунта были выполнены в режиме однократных импульсов или при малых частотах. При работе газового диода в импульсно-периодическом режиме в результате последовательности импульсов газ в разрядном промежутке нагревается. Наи-
большие температуры газа достигаются в области разрядной плазмы, а охлаждение газа в отсутствии прокачки происходит за счет контакта нагретого газа со стенками разрядной камеры. При этом давление газа в разрядной камере может существенно не изменяться. Однако нагрев газа приводит к уменьшению концентрации частиц N в промежутке и увеличению параметра E/N, где Е — напряженность электрического поля. Как известно [2—5] уменьшение давления газа в нормальных условиях, что равносильно уменьшению концентрации частиц газа, обычно приводит к увеличению амплитуды с.л.э.п. Однако при использовании генераторов с амплитудой импульсов напряжения >100 кВ и токах разряда через промежуток в единицы килоампер в воздухе атмосферного давления наблюдается значительное уменьшение амплитуды с.л.э.п. при частотах >10 Гц [19]. С другой стороны, при работе в режиме пачек импульсов и использовании сферического катода с тем же генератором было зарегистрировано при повышенных частотах увеличение экспозиционной дозы рентгеновского излучения с ростом частоты [20].
Увеличение длины разрядного промежутка и длительности (~30 нс) импульса напряжения с амплитудой >100 кВ в стационарном импульсно-периодическом режиме позволило получать диффузный разряд с малыми удельными энерговкладами за импульс при частоте следования импульсов до 1 кГц [9, 21]. В этих условиях также было зарегистрировано увеличение импульсной интенсивности рентгеновского излучения с ростом частоты повторения импульсов. Таким образом, в ряде работ [9, 20, 21] наблюдалось увеличение экспозиционной дозы рентгеновского излучения при увеличении частоты, что можно было объяснить нагревом газа в промежутке и увеличением параметра E/N. Однако с.л.э.п. за анодом из фольги или сетки в этих условиях зарегистрирован не был.
Цель данной работы — исследовать параметры с.л.э.п. и экспозиционные дозы рентгеновского излучения в импульсно-периодическом режиме при разных длительностях фронта импульса напряжения. Реализация данной цели позволит создавать импульсно-периодические ускорители электронов и источники рентгеновского излучения с субнаносекундной длительностью импульса, а также получить новые данные о причинах формирования диффузных разрядов при повышенных давлениях. Вторая задача, которая ставилась в данной работе, зарегистрировать с.л.э.п. при частотах следования импульсов более 1 кГц. Данная работа продолжает исследования, начатые в [21, 22], где с.л.э.п. при напряжении в десятки киловольт и давлении гелия ~100 Торр был получен при частоте следования импульсов 1 кГц.
7 6 5 4
Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 — анод, 2 — катод, 3 — емкостной делитель напряжения фольги, 4 — приемная часть коллектора, 5 — газовый диод, 6 — изолятор газового диода, 7 — обостритель-ный разрядник.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКИ
В экспериментах использовалась разрядная камера, показанная на рис. 1, на которую подавались импульсы напряжения от генератора NPG-15/2000N [23]. Генератор формировал импульсы напряжения с амплитудой до 35 кВ и частотой до 3.5 кГц, которые по кабелю длиной 3 м с волновым сопротивлением 75 Ом подавались на разрядный промежуток. Длительность импульса напряжения на полувысоте составляла ~6 нс при фронте ~2.5 нс на уровне 0.3—0.9 и работе на согласованную нагрузку (75 Ом). В ряде экспериментов между генератором и разрядной камерой устанавливался обострительный разрядник 7, благодаря которому длительность фронта импульса напряжения сокращалась до ~0.3 нс. Межэлектродный промежуток в большинстве экспериментов равнялся 12 мм. Разрядная камера 5 была подключена к газовому пульту с вакуумметром, с помощью которого в процессе работы контролировалось давление в разрядной камере. Объем разрядной камеры равнялся 200 см3, а газовой системы ~1000 см3.
В работе использовался трубчатый катод из нержавеющей стали диаметром 6 мм. Отметим, что промежуток с зазором 12 мм является оптимальным для трубчатого катода диаметром 6 мм [4, 14]. Толщина кромки катода равнялась 200 мкм, а кромка была округлена. Анодом служила сетка с прозрачностью 64% и размером отдельной ячейки 1 х 1 мм. За основной сеткой на расстоянии 2 мм устанавливалась дополнительная сетка, которая экранировала коллектор от динамического емкостного тока [17] и защищала коллектор от попадания на него разрядной плазмы. Вторая сетка имела прозрачность 30%. Динамический емкостной ток возникает за счет зарядки емкости "сжимающегося" конденсатора, который возникает между фронтом плотной плазмы, распространяющейся во время пробоя промежутка от катода к аноду, и анодом [17]. Для появления динамического емкостного тока необходимо, чтобы концентрация плазмы в части промежутка дости-
гала ~1014 см-3, а электрическое поле вытеснялось из этой плазмы. Величина динамического емкостного тока зависит от фронта импульса напряжения и конструкции электрода, с малым радиусом кривизны. В работе [17] при длительности фронта импульса напряжения 0.3 нс и его амплитуде 250 кВ величина емкостного динамического тока достигала 4 кА.
В ряде экспериментов вторая сетка заменялась фольгой из алюминия толщиной 3 мкм или металлизированной (слой алюминия толщиной 0.2 мкм) пленкой из кимфоли (C16H14O3) толщиной 2 мкм. При использовании в качестве анода Al фольги или пленки из кимфоли, динамический емкостной ток коллектором не регистрировался. Для регистрации тока пучка применялся конический коллектор с диаметром приемной части 20 мм, который описан в работах [4, 11]. Амплитуды тока или число электронов в пучке, приводимые в статье, соответствуют амплитудам с.л.э.п., регистрируемым в данной работе с площадки анодной фольги диаметром 20 мм. Центр этой площадки находился на оси газового диода. Коллектор устанавливался за двумя сетками или за сеткой и фольгой. Потери тока пучка в сетках и фольге при измерениях не учитывались. Временное разрешение коллектора и всей системы регистрации было не хуже 0.1 нс. Для определения временного разрешения системы регистрации на коллектор, исп
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.