ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2012, том 38, № 11, с. 1001-1008
НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ПЛАЗМА
УДК 537.5
ДВУХКОМПОНЕНТНАЯ СТРУКТУРА ИМПУЛЬСА ТОКА ПУЧКА УБЕГАЮЩИХ ЭЛЕКТРОНОВ, ГЕНЕРИРУЕМОГО ПРИ ПРОБОЕ АЗОТА ПОВЫШЕННОГО ДАВЛЕНИЯ
© 2012 г. В. Ф. Тарасенко, М. В. Ерофеев, М. И. Ломаев, Д. А. Сорокин, Д. В. Рыбка
Институт сильноточной электроники СО РАН, Томск, Россия e-mail: vft@loi.hcei.tsc.ru Поступила в редакцию 26.01.2012 г. Окончательный вариант получен 21.03.2012 г.
Исследованы условия формирования пучков убегающих электронов в азоте повышенного давления, при которых во время одного импульса напряжения регистрируются два импульса тока электронного пучка. Показано, что для реализации режима с двумя импульсами тока пучка необходимо уменьшать напряженность электрического поля E в промежутке или значение параметра E/p (p — давление газа). Установлено, что режим с двумя импульсами тока пучка наблюдается как при высоких давлениях (1500—3000 Торр), так и при низких (менее 100 Торр). Показано, что при формировании второго импульса тока пучка первый импульс тока пучка должен приводить к частичному снижению напряжения на промежутке. При низком давлении азота (~10 Торр) режим генерации двух импульсов тока электронного пучка может реализоваться, за счет увеличения электрической прочности промежутка, и при высоких значениях E/p. В воздухе атмосферного давления зарегистрирована, при пикосекундном временном разрешении и фронте импульса напряжения ~300 пс, сложная форма импульса тока пучка электронов.
1. ВВЕДЕНИЕ
Убегающие электроны, генерируемые при подаче наносекундных импульсов высокого напряжения на промежуток, оказывают существенное влияние на пробой различных газов повышенного давления, особенно в неоднородном электрическом поле [1—4]. Также известно, что пробой в длинных трубках из диэлектрика происходит за счет формирования волн ионизации, которые распространяются от высоковольтного электрода [5, 6]. В последние годы значительно возрос интерес к изучению условий генерации пучков убегающих электронов, регистрируемых за фольгой газового диода (например, статьи [7—14] и ссылки в них). Ранее в ряде работ [15—18] сообщалось о регистрации пучков убегающих электронов, которые при подаче на промежуток одного импульса напряжения состояли из двух импульсов. Также известно о регистрации двух импульсов рентгеновского излучения в результате подачи на промежуток одного импульса напряжения [19].
Два импульса тока пучка убегающих электронов при подаче на промежуток одного импульса напряжения были, по-видимому, впервые зарегистрированы в работе [15]. Такой режим наблюдался при давлениях азота и гелия десятки-сотни Торр и напряжении генератора 25 кВ. Генерация импульсов тока пучка происходила на плоской части импульса напряжения с длительностью фронта ~5 нс. Было установлено, что имеется два
различных режима работы газового диода с генерацией двойных импульсов. В первом режиме, который наблюдался сравнительно редко, при давлении гелия 90 Торр за тонкой пленкой из кимфоли толщиной ~2 мкм, покрытой слоем алюминия толщиной ~0.2 мкм, были зарегистрированы два импульса тока пучка с длительностью на полувысоте ~200 пс. Задержка между их максимумами составила ~1.5 нс. После первого импульса тока пучка на осциллограмме тока регистрировалось плато, длительность которого, по основанию, достигала ~2.5 нс.
Во втором режиме [15, 16, 18], при котором генерация импульсов тока пучка также наблюдалась на плоской части импульса напряжения, длительность первого импульса в широком диапазоне давлений была ~200 пс. Этот импульс обычно соответствовал режиму генерации сверхкороткого лавинного электронного пучка (с.л.э.п.) [4]. Длительность второго импульса составляла ~1 нс и зависела от давления газа. Задержка между максимумами этих двух импульсов также составляла ~1.5 нс. Измерения напряжения на промежутке показали, что при генерации первого импульса спад напряжения обычно не превышает 30%. Во время генерации второго импульса тока пучка напряжение на промежутке уменьшается до единиц киловольт, а амплитуда тока разряда приближается к величине тока короткого замыкания. При увеличении давления (в гелии до 300 Торр, в азоте до 60 Торр) второй им-
пульс тока пучка исчезал и регистрировался только первый импульс (с.л.э.п.). Однако при замене фольги сеткой второй импульс появлялся вновь, а его амплитуда могла превышать амплитуду первого импульса. Полученное распределение электронов по энергиям [18] показало, что в первом импульсе максимум на распределении электронов по энергиям при разряде в гелии соответствовал энергии ~10 кэВ, а при разряде в азоте ~12.5 кэВ. Второй импульс состоял из электронов с энергией менее 3 кэВ и поэтому не регистрировался за покрытой алюминием пленкой.
При атмосферном давлении азота двойные импульсы тока пучка были зарегистрированы при импульсе напряжения амплитудой 160 кВ и длительностью фронта 10 нс [17]. Первый импульс наблюдался на фронте импульса напряжения, а второй в стадии завершенного пробоя промежутка на фронте импульса тока разряда.
В воздухе атмосферного давления двухкомпо-нентные импульсы тока пучка убегающих электронов были зарегистрированы в работе [13]. Амплитуда импульса напряжения составляла 300— 380 кВ, а фронт импульса ~0.5 нс. Задержка между максимумами тока пучка в этом режиме составляла ~150 пс. Энергия электронов во втором импульсе тока пучка, как и в работе [18], при описанном выше втором режиме, была меньше, чем в первом импульсе. В ряде импульсов тока пучка, приведенных в работе [13], явно выраженных двухкомпонентных импульсов не наблюдалось, а регистрировался затянутый спад импульса тока пучка. Отметим также работу [20], в которой при выводе тока пучка через отверстие диаметром 1 мм были зарегистрированы импульсы электронов пучка с энергией не более 7 кэВ, длительность которых на полувысоте составляла ~210 пс. Амплитуда импульса напряжения генератора в [20] составляла ~220 кВ, а длительность фронта импульса ~0.5 нс.
Целью настоящей работы является изучение условий, при которых во время одного импульса напряжения генерируется пучок убегающих электронов, регистрирующийся в виде двух отстоящих по времени или двухкомпонентных импульсов, а также исследование структуры импульса тока пучка с временным разрешением до ~25 пс.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКИ
Эксперименты были проведены на трех установках с использованием газовых диодов, которые подключались к трем наносекундным генераторам. Это позволило изменять амплитуду и фронт импульса напряжения. В установке № 1 был задействован генератор СЛЭП-150, который подробно описан в [4, 9, 14]. Генератор формировал импульсы напряжения с амплитудой падаю-
щей волны в передающей линии ~140 кВ и ~280 кВ в отсутствие пробоя промежутка. Длительность фронта импульса напряжения т, величина которой составляла ~300 пс, определялась обострительным разрядником Р-43 и конструкцией газового диода. В установке № 2 использовался импульсный генератор РАДАН-220 [21], который формировал на разрядном промежутке в режиме холостого хода импульс напряжения с амплитудой ~220 кВ и длительностью на полувысоте на согласованной нагрузке ~2 нс при длительности фронта ту ~ 0.5 нс. Газовый диод, используемый в установке № 3, показан на рис. 1. В этой установке от импульсного трансформатора заряжался отрезок кабеля длиной 5 м с волновым сопротивлением 50 Ом, который был соединен с обострительным разрядником. Импульс напряжения, после срабатывания обострительного разрядника, подавался на катод (4) газового диода (см. рис. 1). Амплитуда импульса напряжения могла изменяться от 15 до 25 кВ. Длительность фронта импульса ту не превышала 2 нс.
Конструкция газового диода на всех трех установках была подобной (см. рис. 1 и работы [3, 4, 9, 14]). Разрядный промежуток был образован плоским анодом и катодом с малым радиусом кривизны, что обеспечивало усиление электрического поля в прикатодной области. Катод был выполнен в виде трубки диаметром 6 мм из фольги из нержавеющей стали толщиной 100 мкм. В качестве анодов использовались тонкие фольги из алюминия и сплава А1М§ (марка АМг2-Н, толщина 50 мкм; процентное содержание А1: 95.7— 98.2%; М§: 1.7-2.4%; Fe: до 0.5%; 81: до 0.4%; Мп: 0.1-0.5%; Сг: до 0.05%; Т1: до 0.15%; Си: до 0.15%; Zn: до 0.15%.). Также использовалась пленка из кимфоли (С16Н1403) толщиной ~2 мкм, покрытая слоем алюминия толщиной ~0.2 мкм, которая армировались металлической сеткой с прозрачностью 64% и толщиной проволочек ~30 мкм. Длина межэлектродного зазора могла изменяться от 4 до 18 мм. Большинство экспериментов было выполнено при расстоянии между электродами d = 12 мм.
Импульс напряжения регистрировался с помощью емкостного делителя напряжения, установленного на конце передающей линии генератора. Измерения тока разряда осуществлялись при использовании шунта на чип-резисторах с сопротивлением ~0.04 Ом. Амплитуда и форма импульса тока электронного пучка измерялись с помощью коллекторов с диаметрами приемной части 15 и 20 мм и временным разрешением не хуже 100 пс [14]. Для измерения электрических сигналов использовались осциллографы DPO 70604 (6 ГГц и 25 выборок в нс), TDS-6604 (6 ГГц, 20 выборок в нс) на установках № 1 (итах ~ 280 кВ, хг~ 300 пс) и № 2 (итах ~ 220 кВ, хг ~ 0.5 нс) и
Рис. 1. Сборочный чертеж разрядной камеры. 1 — корпус коллектора, 2 — патрубки для напуска и откачка газа, 3 — приемная часть коллектора, 4 — трубчатый катод, 5 — емкостной делитель напряжения, 6 — шунт, 7 — отверстие для подключения высоковольтного кабеля, 8 — анод из фольги или сетки.
ТDS—3054B (0.5 ГГц, 5 выборок за 1 нс) на установке № 3 (итах ~ 25 кВ, Ту~ 2 нс), а также широкополосные ослабители и кабели.
3. ЭКПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
3.1. Влияние амплитуды импульса напряжения и давления на режим генерации тока пучка
Как показали проведенные исследования, генерацию двух импульсов тока пучка при высоковольтном наносекундном разряде наиболее просто регистрировать при амплитуде импульса напряжения в десятки киловольт и сравнительно низких значениях параметра Е/р (Е — напряженность электрического поля,
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.