ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 200S, № 2, с. 62-6S
_ ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ _
--ТЕХНИКА -
УДК 537.52
ГЕНЕРАЦИЯ И ИЗМЕРЕНИЕ СУБНАНОСЕКУНДНЫХ ПУЧКОВ ЭЛЕКТРОНОВ В ГАЗОНАПОЛНЕННЫХ ДИОДАХ
© 2008 г. В. Ф. Тарасенко, Д. В. Рыбка, Е. X. Бакшт, И. Д. Костыря, М. И. Ломаев
Институт сильноточной электроники СО РАН Россия, 634055, Томск, просп. Академический, 2/3 E-mail: VFT@loi.hcei.tsc.ru Поступила в редакцию 14.06.2007 г.
Приведены результаты экспериментальных исследований генерации сверхкоротких лавинных электронных пучков (с.л.э.п.) в газонаполненных диодах и анализ методик измерения их амплитудно-временных характеристик. Описаны оптимальные условия для получения максимальных амплитуд с.л.э.п. Показано, что при диаметре катода 6 мм и межэлектродном расстоянии 10 мм пучок регистрируется со всей площади фольги, диаметр которой составляет 50 мм и равен внутреннему диаметру газового диода. С помощью коллектора с диаметром приемной части 3 мм зарегистрирована длительность импульса тока пучка на полувысоте менее 90 пс. Амплитуда с.л.э.п. за Al-фольгой толщиной 10 мкм при данной длительности составила ~50 А.
PACS: 52.38.Ph, 52.70.Nc
1. ВВЕДЕНИЕ
Впервые наблюдения электронного пучка за фольгой при пробое промежутка, заполненного различными газами атмосферного давления, были описаны в 1974 г. [1]. Зарегистрированная длительность электронного пучка на полувысоте составила <1.5 нс. Для генерации пучков электронов использовался наносекундный разряд в неоднородном электрическом поле. На промежуток подавались импульсы высокого напряжения (>100 кВ) наносекундной длительности с фронтом <1 нс. В работе [1] высказывались предположения о более короткой длительности тока пучка убегающих электронов, однако прямые измерения длительности тока пучка с субнаносекундным разрешением не проводились. Убегающими мы называем электроны выведенного за фольгу пучка, которые генерируются при подаче наносекундных импульсов высокого напряжения на промежуток, заполненный газами повышенного давления. В ряде работ (см. обзор [2] и ссылки в нем) делались попытки оценить длительность тока пучка по длительности импульсов свечения сцинтиллирующих пластмасс. Измерения показали, что длительность импульса тока пучка короче 1 нс.
Улучшение методик регистрации электронных пучков и использование цифровых осциллографов с широкой полосой пропускания обусловили возросший интерес к изучению генерации электронных пучков в газонаполненных диодах при повышенных давлениях (см. статьи и обзоры [3-15], а также литературу в них). В 2005 г. измерена длительность тока пучка с временным разрешением ~100 пс. Было установлено, что дли-
тельность импульса сверхкоротких лавинных электронных пучков (с.л.э.п.) составляет на полувысоте при атмосферном давлении различных газов <100 пс (~96 пс [8]). Это близко к предельному разрешению использовавшегося в [8] осциллографа Tektronix TDS6604. В работах [l0, 14] получена длительность тока пучка убегающих электронов на полувысоте 120-130 пс, при этом высказано предположение [14], что истинная длительность импульса тока пучка убегающих электронов должна составлять ~10 пс. Тем не менее, вопрос о длительности и амплитуде тока пучка, а также о распределении электронов по энергиям остается открытым.
В работе [1] сообщалось, что за фольгой число электронов пучка, генерируемых в воздухе атмосферного давления, составляет ~109, но амплитуда тока пучка не указывалась. Число электронов ~109 не изменилось и в последующих работах этой научной группы, но при этом уточнялось, что большинство регистрируемых электронов имеют аномальную энергию, превышающую напряжение на промежутке (см. обзор [2] и ссылки в нем). В работах [1, 2] указывалось также, что число электронов за фольгой при давлении гелия 22 Торр достигает ~1012, однако данных при атмосферном давлении гелия и других газов в этих работах не приводилось, сообщалось только, что наибольшие амплитуды тока пучка регистрируются в гелии. Наша оценка амплитуды тока пучка в работе [1] по числу электронов и длительности импульса тока пучка на полувысоте 1.5 нс дает величину ~0.1 А, а при длительности ~100 пс—1.5 А. В работах [3-9, 11-13] сообщалось о получении
амплитуды с.л.э.п. в десятки-сотни ампер, и о влиянии типа осциллографа и методики измерений на амплитуду и длительность регистрируемого сигнала. В [10, 14] при использовании импульсов напряжения амплитудой 270 кВ, длительностью на полувысоте 250 пс в воздухе атмосферного давления была получена амплитуда тока пучка 1.5 А при длительности на полувысоте 130 пс.
В вышеуказанных работах [1-15] для регистрации (оценки) числа электронов [1, 2] или амплитуды тока пучка и тока разряда использовались шунты из сопротивлений ТВО [1-9, 11, 13] и пленочных сопротивлений [15], коллекторы различной конструкции [4-15] и калориметрический метод [3-9, 11, 13], предложенный в [16] для определения амплитуды тока пучка наносекундной длительности. При этом результаты измерения амплитуды тока убегающих электронов, полученные разными авторами и с использованием различных методик, существенно отличались. Также существенно различались распределения электронов по энергиям в газовых диодах, заполненных воздухом атмосферного давления, полученные различными группами [1, 2 ] и [6-9, 13].
Цель данной работы сравнить различные методики, применяемые при регистрации электронных пучков малой длительности, и исследовать условия получения наибольших амплитуд с.л.э.п. в газах повышенного давления. Отметим, что часть методик измерения коротких электронных пучков, формируемых в вакуумных диодах, ранее анализировалась в [17].
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ АППАРАТУРА И МЕТОДИКИ
Экспериментальные исследования проведены с использованием двух газовых диодов схожей конструкции, на которые подавались импульсы напряжения от двух генераторов РАДАН-220 [18]. Конструкция газового диода с коллектором № 1 показана на рис. 1. Напряжение холостого хода первого генератора составляло ~270 кВ, а второго —230 кВ. Оба генератора имели длительность фронта ~0.5 нс и длительность импульсов напряжения на согласованной нагрузке ~2 нс.
Импульсы напряжения подавались на газонаполненный диод с внутренним диаметром 50 мм, катод которого имел малый радиус кривизны. В большинстве экспериментов использовались катоды, выполненные из стальной трубки с внутренним диаметром 6 и 5.3 мм (для первого и второго генераторов соответственно) и толщиной стенки 100 мкм, закрепленной на металлическом стержне. Плоским анодом, через который осуществлялся вывод электронного пучка, служила А1Ве-фольга толщиной ~50 мкм или А1-фольга толщиной 10 мкм. Расстояние между катодом и
Рис. 1. Конструкция газового диода с коллектором № 1. 1 - газовый диод; 2 - фланец газового диода; 3 - коллиматор или медная фольга толщиной 250 мкм с отверстием 01 мм (между 2 и 3 устанавливается А1Ве-фольга толщиной 50 мкм или А1-фольга толщиной 10 мкм); 4 - корпус коллектора; 5 - приемная часть коллектора (цилиндр 03 мм или конус 05 мм в основании); 6 - катод.
анодом изменялось от 5 до 16 мм. Основные эксперименты проводились при атмосферном давлении воздуха в диоде. Часть экспериментов проведена при заполнении газового диода различными газами (гелием, ксеноном, БР6) при давлении от 0.1 Торр до 12 атм.
Импульсы тока пучка регистрировались двумя коллекторами. Коллектор № 1 (рис. 1) подробно описан в [19]. Использовались две модификации приемной части коллектора: в виде конуса с диаметром основания 5 мм и в виде цилиндра диаметром 3 мм. В последнем случае коллектор позволял регистрировать импульсы напряжения с длительностью на полувысоте ~50 пс [19]. Конструкция коллектора № 2 с диаметром приемного конуса 20 мм описана в работе [15], его временное разрешение составляло ~0.1 нс.
Амплитуду тока пучка измеряли следующим образом. При сканировании коллектором с диафрагмой 01 мм по диаметру фольги регистрировали импульс тока с коллектора. Далее рассчитывали распределение плотности заряда электронов по площади фольги. Интегрированием полученного распределения получали полный заряд, переносимый током пучка за фольгой.
Отметим, что в данной работе, как и в работах [3-9, 11-13], приводятся максимальные амплиту-
I, o™. eд. 0
-0.5-
-1.0z
0
-0.5-
t, го
Рис. 2. Oeциллoгpаммы импyльeoв тока пучка за AlBe-фoльгoй: а - eигнал тoка кoллeктopа e цилин-дpичeeкoй пpиeмнoй чаeтью 03 мм и кoллиматopoм, т0.5 = 90 (SS) тс; б - eигнал тoка кoллeктopа e кoнye-нoй пpиeмнoй чаeтью 05 мм в oeнoвании пpи иeпoль-зoвании Cu-фoльги тoлщинoй 250 мкм e oтвepeтиeм 01 мм, Т0.5 = 100 (97) тс; в - eигнал тoка кoллeктopа e кoнyeнoй пpиeмнoй чаeтью 020 мм, Т0.5 = 100 (102) тс.
ды тока пучка. Данный пoдxoд к измepeниям o6y-eлoвлeн бoльшим pазбpoeoм амплитyды e.л.э.п. oт импyльeа к импул^у в нeoптимальныx yeлoви-ях. Как нами был o пoказанo в pабoтe [S], этoт pазбpoe eвязан e нeeтабильнoeтью вpeмeни гего-pации сл.э.п. oтнoeитeльнo фpoнта импyльeа на-пpяжeния. Пpи oптимальныx и eтабильныx за-дepжкаx вpeмeни гeнepации e.л.э.п. oтклoнeниe eгo амплитуды нe пpeвышалo 20%. Для измepeний амплитуды e.л.э.п. мы такжe иeпoльзoвали шунты pазличнoй кoнeтpyкции, eoбpанныe из eoпpoтив-лeний TBO или плeнoчныx чип-peзиeтopoв, дeла-лгоь пoпытки измepять пoлнyю энepгию пучка элeктpoнoв e пoмoщью калopимeтpа MMO-2.
Для peгиeтpации элeктpичeeкиx eигналoв e тал-лeктopoв и шyнтoв иeпoльзoвалeя цифpoвoй oe-циллoгpаф peальнoгo вpeмeни Tektronix TDS6604 (пoлoeа пpoпyeкания 6 ГГц, 20 • 109 выбopoк/e). Для eoeдинeния измepитeльныx элeктpoдoв e oe-циллoгpафoм пpимeнялиeь шиpoкoпoлoeныe акeиальныe кабeли и аттeнюатopы 142-NM фиp-мы Barth Electronics e пoлoeoй пpoпyeкания 30 ГГц. B [19] пoказанo, чтo ввиду малoй длитeльнoeти импyльeа e.л.э.п. и нeдoeтатoчнoй пoлoeы пpoпye-кания oeциллoгpафа Tektronix TDS6604 peгиeтpи-pyющий тpакт адeкватнo peагиpyeт лишь на ин-тeгpальныe xаpактepиeтики пoдаваeмoгo eигнала
с длительностью фронта менее 110 пс. Поэтому в данной работе мы определяли амплитуду тока пучка убегающих электронов по величине заряда, переносимого током пучка.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ 3.1. О длительности имп
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.