ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2010, № 4, с. 84-87
ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА
УДК 621.316.933.6
ЭФФЕКТИВНЫЙ КАТОД ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ СВЕРХКОРОТКОГО ЛАВИННОГО ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА В ВОЗДУХЕ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ
© 2010 г. И. Д. Костыря, Е. Х. Бакшт, В. Ф. Тарасенко
Институт сильноточной электроники СО РАН Россия, 634055 Томск, просп. Академический, 2/3 Е-шаП: VFT@loi.hcei.tsc.ru Поступила в редакцию 13.01.2010 г.
Проведены исследования катодов ускорителей, предназначенных для генерации сверхкороткого лавинного электронного пучка в воздухе атмосферного давления. Создан катод, позволивший увеличить амплитуду тока пучка за фольгой в несколько раз. Получена амплитуда пучка ~80 А при длительности импульса на полувысоте ~100 пс.
ВВЕДЕНИЕ
О создании ускорителя электронов на основе вакуумного диода с субнанос екундной длительностью импульса тока пучка впервые сообщалось в работе [1]. Для получения пучков электронов с длительностью ~100 пс необходимо использовать высоковольтные генераторы с длительностью импульса напряжения, примерно соответствующей длительности импульса тока пучка [2, 3]. Применение субнаносекундных генераторов и вакуумных диодов существенно усложняет конструкцию ускорителя электронов с субнаносекундной длительностью импульса и ограничивает его практическое использование.
Пучки электронов с длительностью ~100 пс также могут быть получены и при применении диодов, заполненных газами повышенного давления (см. обзор [4] и ссылки в нем). Отметим, что впервые пучок электронов за фольгой газового диода при повышенных давлениях различных газов был получен в работе [5]. В случае использования газовых диодов требования, предъявляемые к длительности фронта импульса напряжения, существенно проще. Так, для генерации в воздухе атмосферного давления импульсов тока пучка длительностью ~100 пс и амплитудой в десятки ампер длительность фронта импульса напряжения может составлять 300—500 пс [4]. Кроме того, нет дополнительных требований к длительности импульса напряжения и длительности его спада. Наибольший практический интерес представляют ускорители, обеспечивающие в воздухе атмосферного давления генерацию пучков убегающих электронов, сравнимых по амплитуде с пучками электронов из вакуумных диодов. Понятно, что в этом случае конструкция ускорителя электронов существенно упрощается, а срок
жизни диода увеличивается. Однако задача по получению токов пучка в сотни ампер при атмосферном давлении воздуха еще требует решения.
В недавних работах [6, 7] было показано, что при использовании трубчатого катода из фольги амплитуда сверхкороткого лавинного электронного пучка (с.л.э.п.) в воздухе атмосферного давления составляет 20—50 А. Там для измерения амплитуды тока пучка применялись специальные коллекторы с временным разрешением до 50 пс [8]. С генератором РАДАН-220 [9] при напряжении пробоя обострительного разрядника ~270 кВ наибольшая амплитуда с.л.э.п. составила ~50 А [6]. С генератором СЛЭП-150 при использовании дополнительной передающей линии [10, 11] и амплитуде падающей волны напряжения ~140 кВ наибольшая величина тока пучка за фольгой составила ~25 А [7]. Увеличение амплитуды тока пучка в воздухе атмосферного давления в основном достигалось за счет увеличения размера рабочей кромки катода, длина которой в [7] соответствовала размеру окружности торца трубчатого катода из нержавеющей стали. Однако дальнейшее увеличение амплитуды тока пучка за фольгой с генератором СЛЭП-150 при трубчатом катоде ограничивалось поперечными размерами газового диода. Кроме того, при больших диаметрах трубчатого катода на автографе тока пучка в его центральной части появлялась область с малой плотностью тока [7].
Цель данной работы — создать катод газового диода, который позволил бы значительно увеличить амплитуду тока пучка за фольгой и получить при этом сравнительно равномерное распределение плотности тока пучка по площади фольги. Исследования катодов были проведены при заполнении газового диода воздухом атмосферного
давления, что существенно упрощает конструкцию ускорителя и работу с ним.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ АППАРАТУРА И МЕТОДИКИ
Импульсы напряжения формировались с помощью генератора СЛЭП-150, который был специально разработан для получения пучков электронов в газовых диодах [12]. На рис. 1 приведены часть генератора с обострительным разрядником, газовый диод с трубчатым катодом и коллектор. Одним из электродов высоковольтной линии генератора являлся корпус обострительного разрядника. Это позволило уменьшить длину линии и формировать импульс напряжения амплитудой ~150 кВ и длительностью на полувысоте в случае согласованной нагрузки ~1 нс. Длительность фронта импульса напряжения определялась обострительным разрядником и составляла ~250 пс на уровне 0.1-0.9.
Анод газового диода был плоским и имел две сборки. В первой сборке анод 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. Во второй сборке анодом служила эта сетка, а алюминиевая фольга толщиной 10 мкм располагалась на расстоянии 3 мм от сетки перед коллектором. За счет установки экрана из фольги емкостный ток не влиял на измерения тока с.л.э.п. с коллектора. Ток пучка (число электронов) регистрировался с помощью коллекторов с диаметрами приемной части 3, 20 и 56 мм. Полное число электронов пучка за фольгой измерялось коллектором с диаметром 56 мм. Также этим коллектором измерялось число электронов через диафрагму с отверстием 09 мм и определялось соотношение между полным током пучка и током пучка в центральной части фольги. Временное разрешение коллектора с приемной частью 20 мм составляло ~100 пс. Этим коллектором ток пучка или число электронов регистрировались через диафрагму с отверстием 09 мм или без диафрагмы. Без диафрагмы регистрируемый ток пучка попадал на приемную часть коллектора 020 мм. Емкостный делитель напряжения был установлен в выходной части генератора, которая заполнялась трансформаторным маслом (рис. 1). Расстояние от емкостного делителя до фланца газового диода, к которому крепилась фольга или сетка, равнялось 22 мм.
Для регистрации сигналов с емкостного делителя и коллекторов применялся осциллограф DPO 70604 (6 ГГц и 25 выборок/нс). Представленные ниже результаты получены в режиме однократных импульсов.
12 3 4
Рис. 1. Конструкция ускорителя СЛЭП-150 с газовым диодом и коллектором. 1 — генератор; 2 — обостри-тельный разрядник; 3 — емкостный делитель; 4 — разрядный промежуток газового диода; 5 — катод; 6 — коллектор с диаметром приемной части 20 мм; 7 — фольга, армированная сеткой.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
При проведении данной работы было достоверно установлено влияние давления и влажности воздуха на амплитуду (число электронов) с.л.э.п. При повышении влажности воздуха амплитуда с.л.э.п., при прочих равных условиях, уменьшалась. Увеличение давления воздуха могло приводить как к уменьшению, так и к увеличению амплитуды с.л.э.п. Это зависело от конструкции используемого катода и межэлектродного зазора. Максимальная разность в амплитудах с.л.э.п. при изменении погоды обычно не превышала ~30%. После выявления данных особенностей эксперименты по сравнению амплитуд с.л.э.п. проводились в сухую погоду при стабильном давлении и влажности воздуха в помещении. Предварительные эксперименты с трубчатыми катодами из различных материалов (алюминий, титан, медь, тантал, графит, нержавеющая стать) подтвердили результаты работ [4, 13, 14]. Для получения максимальных амплитуд с.л.э.п. лучше использовать катоды из нержавеющей стали. В результате исследования различных конструкций катодов в данной работе был создан катод, конструкция которого приведена на рис. 2а. Основой катода являлся тор 1 из нержавеющей стали с внешним диаметром 45 мм, который помещался на металлическую пластинку 2. Тор был изготовлен из трубки 06 мм. К поверхности тора были припаяны параллельно с шагом 5 мм проволоки 3 из нержавеющей стали толщиной 0.5 мм. Таким образом была увеличена длина рабочей поверхности катода с малым радиусом кривизны и в то же время ослаблена напряженность электрического поля на краях катода. Данная конструкция катода кроме увеличения длины рабочей поверхности
86
КОСТЫРЯ и др.
(б)
3
тек
Рис. 2. Конструкция катода (а) и автограф электронного пучка на фотопленке РФ-3 шириной 25 мм за один импульс с этим катодом (б).
рис. 2б. Видно достаточно однородное пятно на фотопленке по всей площади пучка.
Разработанный катод был исследован при различных межэлектродных зазорах и анодах. На рис. 3а приведена зависимость числа электронов с.л.э.п. с анодом в виде сетки (вторая сборка) при изменении межэлектродного зазора от 1 до 6 мм. Зависимость построена по средним значениям из 20 импульсов для каждой точки. Оптимальный зазор равнялся 4 мм. Среднее число электронов за импульс при этом составило ~4.7 • 1010. Число электронов N определялось из соотношения N = = /т/е, где I — амплитуда тока с коллектора 056 мм, т — длительность импульса тока на полувысоте с этого же коллектора, е — заряд электрона. При аноде из алюминиевой фольги, расположенной за сеткой, среднее число электронов за 20 импульсов практически не изменилось. Однако в отдельных импульсах с максимальной амплитудой число электронов достигало 5 • 1010.
На рис. 3б приведена осциллограмма импульса тока пучка электронов за фольгой, снятого при установке диафрагмы 09 мм. Видно, что при данном катоде и использовании коллектора с приемной частью 20 мм длительность импульса с.л.э.п. на полувысоте составляет ~100 пс. Длительность импульса тока пучка на полувысоте без диафрагмы с тем же коллектором не изменилась. Таким образом, с генератором СЛЭП-150 амплитуда тока пучка при длительности импульса на полувысоте ~100 пс в воздухе атмосферного давления составляет ~80 А. Отметим, что реальная длительность тока с.л.э.п. со всей поверхности фольги в этих условиях должна быть несколько больше, а его амплитуда — меньше. Это связано с разницей во времени прихода фронта импу
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.