ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2012, № 1, с. 80-85
ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА
УДК 621.316.933.6
АМПЛИТУДА И ДЛИТЕЛЬНОСТЬ ИМПУЛЬСА ТОКА СВЕРХКОРОТКОГО ЛАВИННОГО ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА ПРИ РАЗРЯДЕ В ВОЗДУХЕ
АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ
© 2012 г. И. Д. Костыря, Д. В. Рыбка, В. Ф. Тарасенко
Институт сильноточной электроники СО РАН Россия, 634055, Томск, просп. Академический, 2/3 E-mail: VFT@loi.hcei.tsc.ru Поступила в редакцию 02.06.2011 г. После доработки 11.07.2011 г.
Приведены результаты экспериментальных исследований параметров (амплитуды и длительности) сверхкороткого лавинного электронного пучка (с.л.э.п.), генерируемого в воздухе атмосферного давления. Показано, что длительность импульса тока пучка за фольгой со всей площади анодной фольги больше, чем с малых площадок, и зависит от конструкции катода. За А1-фольгой толщиной 10 мкм зарегистрировано ~6 • 1010 электронов, что соответствует при длительности импульса на полувысоте ~100 пс амплитуде с.л.э.п. ~100 А. При использовании анода из медной фольги толщиной 20 мкм получена экспозиционная доза рентгеновского излучения за импульс ~1.8 мР. Подтверждено, что длительность импульса с.л.э.п. на полувысоте не превышает ~50 пс с малых площадок фольги (диаметр ~7 мм и менее).
ВВЕДЕНИЕ
В работе [1] описан ускоритель электронов с газовым диодом СЛЭП-150. За счет оптимизации конструкции изолятора газового диода и катода в воздухе атмосферного давления за А1-фольгой толщиной 10 мкм, которая армировалась сеткой с высокой прозрачностью, было получено до 5 • 1010 электронов. Если предположить, что длительность импульса тока на полувысоте ~100 пс, то это соответствует амплитуде с.л.э.п. ~80 А. Увеличение тока пучка убегающих электронов было достигнуто за счет оригинальной конструкции катода, разработанного для ускорителей с газовыми диодами [2]. Для увеличения общей длины кромки катода с малым радиусом кривизны при минимальном диаметре катода в качестве эмиттеров были использованы параллельно установленные проволочки.
В то же время параметры с.л.э.п., полученные в работах других научных групп, существенно отличаются от параметров тока пучка, которые приведены в статье [1] и обзоре [3]. Например, в работе [4], опубликованной в 2010 г., сообщалось о получении за фольгой всего 6 • 108 электронов, а амплитуда тока пучка не приводилась. При этом в работах [1, 4] использовался одинаковый обост-рительный разрядник Р-43.
Различие в числе электронов тока пучка связано со следующими существенными различиями в установках, описанных в [1, 4]. В [4] применялся плоский изолятор сравнительно большого диаметра (10 см), который увеличивал размеры газо-
вого диода и его индуктивность. Кроме того, использовался конический катод с одним локализованным эмиссионным центром, конструкция которого, как показано в [3], для генерации с.л.э.п. является неоптимальной. Эти отличия, по нашим оценкам, приводили к удлинению фронта импульса напряжения, потерям части тока пучка на боковых стенках газового диода и меньшей эмиссионной способности катода.
Также в известной литературе приводятся различные данные о длительности импульса тока пучка убегающих электронов при субнаносекунд-ном пробое в воздухе атмосферного давления. Длительность импульса тока пучка в [4] при измерениях осциллографом TDS 3052B (500 МГц и 5 выборок за наносекунду) составила на полувысоте 0.8 нс, что существенно превышает реальную длительность. В работе [5] сообщалось, что длительность импульса тока пучка убегающих электронов, генерируемого при пробое воздуха атмосферного давления, не превышает 50 пс на полувысоте. В [5] приводится осциллограмма тока пучка за фольгой с длительностью импульса на полувысоте 45 пс, которая является минимальной для всех известных работ. При этой длительности импульса тока пучка его амплитуда составила 10— 20 А, что соответствует (3—6) • 109 электронов в пучке. Длительность тока пучка 45 пс была получена при ослаблении тока коллиматором, что позволило подключать коллектор без ослабителя непосредственно к осциллографу. В наших работах (см. например, [3]) минимальная длитель-
13 12
Рис. 1. Схема генератора СЛЭП-150. 1 — вторичная обмотка высоковольтного трансформатора; 2 — формирующая коаксиальная линия; 3 — емкостный делитель напряжения; 4 — катод; 5 — изолятор газового диода; 6 — корпус коллектора; 7 — радиочастотный разъем ^типа; 8 — приемная часть коллектора; 9 — анодная фольга; 10 — дополнительная коаксиальная линия; 11 — обострительный разрядник Р-43; 12 — ферритовое кольцо; 13 — пластина из диэлектрика.
ность импульса с.л.э.п. составляла ~80 пс с малой площадки анодной фольги и ограничивалась временным разрешением осциллографа БРО 70604. Однако при регистрации тока пучка со всей поверхности фольги [6], при использовании SF6 [3] и уменьшении амплитуды импульса напряжения [7] длительность импульса с.л.э.п. увеличивалась.
Цель данной работы — провести измерения амплитуды и длительности с.л.э.п., генерируемого в воздухе атмосферного давления, с помощью осциллографов с высоким временным разрешением и определить оптимальные размеры катода, позволяющего получать наибольшие амплитуды с.л.э.п.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ АППАРАТУРА И МЕТОДИКИ
Все эксперименты были проведены с генератором СЛЭП-150, который был специально разработан для получения пучков электронов в газовых диодах [1]. Внутренним электродом высоковольтной формирующей коаксиальной линии генератора являлся корпус обострительного разрядника Р-43. Это позволило уменьшить длину
Рис. 2. Конструкция катода № 2 и его внешний вид. 1 — круглая пластина; 2 — кольцо; 3 — проволочки.
формирующей линии и получить импульс напряжения в передающей линии с амплитудой в падающей волне ~140 кВ и длительностью на полувысоте ~1 нс. Длительность фронта импульса напряжения определялась обострительным разрядником и составляла ~250 пс на уровне 0.1—0.9. Формирующая линия имела волновое сопротивление ~20 Ом.
Применялись две сборки генератора. В первой сборке газовый диод устанавливался на минимальном расстоянии от обострительного разрядника и соединялся с ним короткой коаксиальной линией. Емкостный делитель напряжения был установлен около газового диода в выходной части генератора, которая заполнялась трансформаторным маслом. Расстояние от емкостного делителя до фланца газового диода, к которому крепилась фольга, равнялось 22 мм.
Во второй сборке между газовым диодом и обострительным разрядником устанавливалась дополнительная коаксиальная линия, которая заполнялась трансформаторным маслом (рис. 1). Длина дополнительной коаксиальной линии равнялась 13.3 см, а ее волновое сопротивление составляло 100 Ом. В коаксиальной линии был установлен второй емкостный делитель напряжения, что позволяло измерять падающую и отраженную волны напряжения и восстанавливать напряжение на промежутке [3].
Плоский анод газового диода был выполнен из алюминиевой фольги толщиной 10 мкм, которая со стороны коллектора армировалась сеткой с прозрачностью 90%. Сетка состояла из стальных проволочек 030 мкм, натянутых на жестком каркасе с шагом 300 мкм. При регистрации рентгеновского излучения алюминиевая фольга заменялась медной толщиной 20 мкм.
В качестве катода в газовом диоде применялись трубка 06 мм из фольги толщиной 100 мкм (катод № 1) и катоды, подобные показанному на рис. 2 (катод № 2). Катоды изготавливались из нержавеющей стали. Как было установлено в [8], с
катодами из нержавеющей стали достигаются наибольшие амплитуды тока с.л.э.п. Основой катодов № 2 служили круглая пластинка, кольцо и проволочки из нержавеющей стали. Проволочки приваривались к кольцу с различным шагом и располагались параллельно. При испытаниях катода № 2 была проведена оптимизация диаметра проволочек, расстояния между проволочками, диаметра кольца и расстояния между круглой пластинкой и проволоками. Также был испытан катод, в котором проволочки устанавливались в виде сетки с квадратными ячейками.
Ток пучка (или число электронов) регистрировался с помощью коллекторов с диаметром приемной части 3, 5, 20 и 56 мм. Волновое сопротивление коаксиальной части коллекторов составляло 50 Ом. Полное число электронов пучка за фольгой измерялось коллектором с диаметром 56 мм. Кроме того, использовался коллектор-шунт сопротивлением 3 Ом с диаметром приемной части 50 мм, который был изготовлен из ~100 чип-резисторов. Временное разрешение коллектора с диаметром приемной части 3 мм составляло ~50 пс [9].
Для регистрации сигналов с емкостного делителя и коллекторов применялись осциллографы MSO 71254 (12.5 ГГц и 50 выборок в нс), TDS 6154C (15 ГГц и 40 выборок в нс) и DPO 70604 (6 ГГц и 25 выборок в нс). Следует отметить, что данный класс осциллографов содержит математический пакет, который позволяет автоматически проводить статистическую обработку измеряемых величин: минимальные, максимальные и средние значения, стандартное отклонение и распределение.
Электрические сигналы с емкостных делителей, шунтов и коллекторов снимались с помощью радиочастотных коаксиальных разъемов N-типа. Для ослабления электрических сигналов применялись аттенюаторы 142-NM фирмы Barth Electronics. Длина измерительных кабелей выбиралась минимальной. Как известно, при увеличении длины регистрационного кабеля длительность субна-носекундного импульса увеличивается, а его амплитуда уменьшается, см., например, данные по увеличению длительности с.л.э.п. в [3]. В работах [1, 3] и данной использовались радиочастотные кабели 5D-FB длиной ~1.3 м, волновым сопротивлением 50 Ом, которые имели ослабление 63 дБ на 100 м для сигнала с частотой 5 ГГц. Представленные ниже результаты получены в режиме однократных импульсов.
Экспозиционная доза рентгеновского излучения измерялась дозиметрами Arrow-Tech, Inc (Model 138), которые устанавливались на расстоянии 2—3 мм от анодной фольги. Чувствительность дозиметра при энергии квантов 16 кэВ составляет 80% от максимальной, достигает максимума при энергии квантов ~30 кэВ и существенно не изменяется в диапазоне энергий рентгенов-
ских квантов от 30 кэВ до 1 МэВ. Отметим, что при измерении экспозиционной дозы с тонкими анодным
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.