ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2013, том 39, № 7, с. 668-676
НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ПЛАЗМА
УДК 537.523.9
ЭНЕРГИЯ ЭЛЕКТРОНОВ, ГЕНЕРИРУЕМЫХ В ВОЗДУХЕ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ ПРИ СУБНАНОСЕКУНДНОМ ПРОБОЕ
© 2013 г. В. Ф. Тарасенко, Е. Х. Бакшт, А. Г. Бураченко, И. Д. Костыря, Д. В. Рыбка
Институт сильноточной электроники СО РАН, Томск, Россия e-mail: VFT@loi.hcei.tsc.ru Поступила в редакцию 09.06.2012 г. Окончательный вариант получен 06.11.2012 г.
Исследовано влияние конструкции катода на энергию основной группы электронов при субнано-секундном пробое в воздухе атмосферного давления. Измерения энергии электронов проводились с помощью времяпролетного спектрометра с пикосекундным временным разрешением. Показано, что при увеличении радиуса кривизны катода энергия основной группы электронов увеличивается. С использованием фильтров из алюминия толщиной 400—650 мкм установлено, что электроны с наибольшими энергиями регистрируются при импульсах напряжения с резким спадом и амплитудах импульса напряжения меньших максимальных. Генерация электронов с наибольшими энергиями происходит с большей пространственной и амплитудной нестабильностью, чем генерация электронов со средней энергией.
DOI: 10.7868/S0367292113060115
1.ВВЕДЕНИЕ
Последние годы значительное внимание уделяется изучению генерации пучков убегающих электронов в газах повышенного давления, см., например, работы [1—7] и ссылки в них. Наиболее подробные экспериментальные исследования генерации пучков убегающих электронов были выполнены для газовых диодов, заполненных воздухом атмосферного давления. На сегодняшний день можно отметить следующие важные результаты, касающиеся параметров сверхкороткого лавинного электронного пучка (с.л.э.п.). За алюминиевой фольгой толщиной 10 мкм в воздухе атмосферного давления было получено до 6 х 1010 убегающих электронов [4]. За коллиматором с отверстием малого диаметра (1 мм) зарегистрированы импульсы с.л.э.п. с длительностью на полувысоте не более 25 пс, а также импульсы с.л.э.п., состоящие из двух близкорасположенных пиков [7]. Установлено, что длительность с.л.э.п. зависит от площади выходного отверстия, через которую пучок электронов попадает на приемную часть коллектора [2, 4, 7]. При этом показано, что длительность импульса с.л.э.п. на полувысоте при измерении тока пучка за всей поверхностью анодной фольги составила ~100 пс. В [8] было обнаружено, что электроны с.л.э.п. регистрируются в телесном угле, превышающем 2я стерадиан.
Однако в работах разных групп приводятся противоречивые результаты по многим параметрам пучка убегающих электронов. Это обусловлено сложностью измерения параметров пучков электронов субнаносекундной и пикосекундной
длительности, а также сильной зависимостью параметров пучка убегающих электронов от экспериментальных условий. Один из вопросов, по которому в литературе идет дискуссия, касается генерации убегающих электронов с "аномально" энергией. Так называют электроны с энергией Т, которая превышает энергию, набираемую электроном при напряжении на промежутке ит (Т> еит). Из работ Бабича и Лойко (см. [1, 9] и ссылки там) следует, что в воздухе атмосферного давления максимум распределения электронов по энергиям лежит в области энергий, на ~100 кэВ превышающих еит. В наших работах [8, 10, 11] электроны с энергией Т > еит в ряде экспериментальных условий (при длительности фронта импульса короче 500 пс и катоде с увеличенным радиусом кривизны) были зарегистрированы, хотя их число оказалось мало (<10%). С другой стороны, в работе [5] содержится следующее утверждение: "максимальная энергия, которую убегающие электроны приобретают в процессе ускорения, соответствует напряжению на электродах и не превышает его". Для разрешения этого противоречия необходимы дальнейшие экспериментальные и теоретические исследования генерации пучков убегающих электронов при импульсных газовых разрядах.
Цель данной работы — провести с помощью времяпролетного спектрометра с пикосекундным и субнаносекундным временным разрешением системы регистрации измерение энергии основной группы убегающих электронов, генерируемых в воздухе атмосферного давления, при ис-
пользовании различных катодов. Эксперименты были проведены с конструкцией газового диода, на которой получены в настоящее время наибольшие амплитуды тока с.л.э.п. [4].
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКИ
В настоящей работе использовался генератор СЛЭП, который был специально разработан для получения пучков электронов в газовых диодах. Применялись две модификации генератора, конструкции которых приведены в работах [2, 4]. Первый генератор (СЛЭП-150) имеет короткую передающую линию, соединяющую обостритель-ный разрядник и газовый диод. Амплитуда импульса напряжения в передающей линии при согласованной нагрузке для данной сборки генератора СЛЭП-150 составляла ~200 кВ. Второй генератор (СЛЭП-150М) имеет дополнительную передающую линию длиной 13.3 см и два емкостных делителя, что позволяет по падающей и отраженной волне напряжения восстанавливать импульс напряжения на промежутке. Амплитуда импульса напряжения в передающей линии при согласованной нагрузке для данной сборки генератора СЛЭП-150М составляла ~140 кВ. Различие амплитуд напряжения обусловлено различным напряжением пробоя обостритель-ного разрядника Р-43. Волновое сопротивление передающих линий обоих генераторов равняется 100 Ом. Данные по спектрам электронов с генератором СЛЭП-150М приведены в работах [8, 10, 11], включая данные, полученные с использованием новой методики восстановления спектров по кривым ослабления энергии электронов без априорных предположений [11]. Для этого методом регуляризации Тихонова была решена обратная задача.
Основные эксперименты выполнены с использованием генератора СЛЭП-150 с короткой передающей линией. Конструкция выходной части генератора СЛЭП-150, газового диода, пролетного спектрометра и катода № 1 (трубка) показаны на рис. 1. Емкостной делитель напряжения был установлен в выходной части передающей линии, переходящей в газовый диод, на расстоянии 22 мм от торца коаксиальной линии (плоского анода). При таком расположении делителя с его помощью нельзя точно определять на промежутке амплитуду напряжения и длительность фронта импульса. Однако до прихода отраженного импульса делитель с высокой точностью регистрировал фронт падающей волны напряжения. После появления отраженной волны напряжения, регистрировалась суперпозиция обеих волн напряжения, что приводит к затягиванию измеряемого фронта импульса напряжения на 100— 200 пс. Спад импульса напряжения, который
Ь
10 9
Рис. 1. Конструкция газового диода генератора СЛЭП-150, пролетного спектрометра и коллектора. 1 — передающая линия, 2 — емкостной делитель напряжения, 3 — фольги, 4 — диафрагмы, 5 — корпус пролетного спектрометра, 6 — корпус коллектора, 7— приемная часть коллектора, 8 — патрубок для откачки воздуха, 9 — катод № 1 (трубка), 10 — изолятор газового диода.
определяется ростом проводимости промежутка, также регистрируется с высокой точностью. С помощью данного делителя можно с пикосекунд-ной точностью во времени регистрировать начальный участок фронта импульса напряжения (до амплитуды ~100 кВ). Это позволило осуществлять с высокой точностью привязку друг к другу импульсов тока пучка и импульсов напряжения. Данная возможность была использована при работе с времяпролетным спектрометром.
Эксперименты проделаны с пятью катодами, которые описаны в таблице. Катод № 1 (трубка) имел форму трубки диаметром 6 мм и был изготовлен из фольги толщиной 100 мкм из нержавеющей стали. Катод № 2 (шар) представлял собой стальной шар диаметром 9.5 мм. Катод № 3 (сетка) был выполнен в виде сетки с шагом 4 мм из параллельных проволок диаметром 0.2 мм, закрепленных на торце полого цилиндра высотой 3 мм и диаметром 30 мм с дном в виде диска. Расстояние от проволок до дна составляло 1.5 мм. Подробно такой катод диаметром 40 мм описан в [4]. Катод № 4 (конус) был выполнен из нержавеющей стали в виде конуса с углом 82° и радиусом округления вершины ~0.1 мм. Основание конуса имело диаметр 6 мм и переходило в цилиндр того же диаметра. Катод № 5 (лезвие) был выполнен из куска бритвенного лезвия длиной 7 мм, закрепленного на торце трубки из фольги диаметром 6 мм. Первые три катода применялись ранее для исследования формы и амплитуды тока с.л.э.п. при использовании системы регистрации с временным разрешением 50 [4] и 25 пс [7]. Плоский анод газового диода (рис. 1) был выполнен из
1
ь
Описание различных катодов, величины межэлектродных зазоров й и задержек между максимумами тока пучка ?1. Энергии электронов 7\—Т4, рассчитанные по задержкам ?1—?4
d, мм h, пс Tb кэВ T2, кэВ T3, кэВ T4, кэВ
Катод № 2 (шар) 8.5 240 208 244 140 460
Катод № 4 (конус) 12 250 180 180 168 300
Катод № 5 (лезвие) 11.5 290 120 120 117 190
Катод № 1 (трубка) 12 290 118 137 117 220
Катод № 3 (сетка) 6 310 96 105 90 170
алюминиевой фольги толщиной 10 мкм, за которой находилась диафрагма или сетка. Межэлектродные зазоры й выбирались оптимальными для каждого из катодов. Для определения наличия электронов пучка с повышенной энергией дополнительно устанавливались фильтры из алюминия различной толщины.
Амплитуда тока пучка или число электронов в пучке определялись с помощью трех коллекторов. При измерениях тока пучка с пикосекунд-ным временным разрешением (~25 пс [7]) за анодной фольгой устанавливались диафрагма с отверстием в центре диаметром 0.5 мм и коллектор, показанный на рис. 1. Приемная часть коллектора была выполнена в виде цилиндра диаметром 3 мм и располагалась на расстоянии 5 мм от анодной фольги. С пикосекундным временным разрешением ток пучка измерялся также на расстоянии 55 мм от анодной фольги за дрейфовым пространством пролетного спектрометра, которое увеличивало пробег электронов на 50 мм. За дрейфовым пространством перед коллектором устанавливалась вторая А1 фольга толщиной 10 мкм. Воздух из дрейфового пространства откачивался форвакуумным насосом.
При измерениях тока пучка с субнаносекунд-ным временным разрешением (~100 пс) использовался коллектор с диаметром приемной части 20
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.