научная статья по теме ГЕНЕРАЦИЯ ПУЧКОВ ЭЛЕКТРОНОВ С РЕГУЛИРУЕМОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТЬЮ 1–0.2 НС И АМПЛИТУДОЙ ТОКА БОЛЕЕ 400 А Физика

Текст научной статьи на тему «ГЕНЕРАЦИЯ ПУЧКОВ ЭЛЕКТРОНОВ С РЕГУЛИРУЕМОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТЬЮ 1–0.2 НС И АМПЛИТУДОЙ ТОКА БОЛЕЕ 400 А»

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2013, № 5, с. 85-89

ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА

УДК 621.316.933.6

ГЕНЕРАЦИЯ ПУЧКОВ ЭЛЕКТРОНОВ С РЕГУЛИРУЕМОМ ДЛИТЕЛЬНОСТЬЮ 1-0.2 нс И АМПЛИТУДОЙ ТОКА БОЛЕЕ 400 А

© 2013 г. С. Б. Алексеев, 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 04.10.2012 г.

Исследованы условия формирования субнаносекундных пучков электронов с регулируемой длительностью импульса в режиме вакуумного диода при использовании генератора СЛЭП-150. Подтверждено, что при наносекундной длительности импульса напряжения наличие в диоде воздуха с остаточным давлением <0.1 Торр не влияет на амплитуду и длительность тока пучка. Показано, что увеличение давления воздуха от 0.1 до 6 Торр приводит к уменьшению длительности импульса тока пучка на полувысоте от ~1 до 0.18 нс и к его более ранней генерации по отношению к фронту импульса напряжения. Установлено, что амплитуда первого пика тока пучка за фольгой в этих условиях не изменяется и составляет >400 А. Показано, что при межэлектродных зазорах, оптимальных для вакуумных диодов, сокращение длительности импульса с ростом давления обусловлено пробоем промежутка за время <200 пс.

DOI: 10.7868/S0032816213040162

Ускорители электронных пучков прямого действия находят применение в различных областях науки и техники [1—4]. Для получения импульсов тока пучка с наибольшими амплитудами импульсы высокого напряжения от генераторов подаются на вакуумные диоды. Длительность импульса тока пучка в таких ускорителях определяется длительностью импульса высокого напряжения на промежутке. Для создания ускорителей с длительностью импульса в сотни пикосекунд необходимо формировать импульсы напряжения субна-носекундной длительности, что представляет довольно сложную техническую задачу [2, 5, 6].

Импульсы тока пучка с длительностью на полувысоте <100 пс могут быть получены с помощью газовых диодов [7—10]. В настоящее время на ускорителе с газовым диодом, заполненным воздухом атмосферного давления, наибольшая амплитуда сверхкороткого лавинного электронного пучка (с.л.э.п.) получена в работе [10] и составила ~100 А при длительности импульса тока на полувысоте ~100 пс. При уменьшении диаметра катода плотность тока пучка в центре фольги достигала 20 А/см2.

В работах [11, 12] было показано, что при уменьшении давления гелия, водорода и азота в газовом диоде, при сохранении режима генерации с.л.э.п., амплитуда тока пучка может быть увеличена до нескольких сотен ампер. При этом плотность тока пучка в центре фольги возрастала до ~100 А/см2, а длительность импульса на полувысоте составляла ~100 пс. Однако в этих работах

исследования при малых давлениях различных газов проводились только при межэлектродном промежутке, оптимальном для работы газового диода с трубчатым катодом 06 мм. Из литературы известно, что оптимальные межэлектродные зазоры в вакуумных диодах по сравнению с зазорами в газовых диодах при тех же амплитудах импульса напряжения в несколько раз меньше (см., например, зависимость от величины межэлектродного зазора на рис. 2Ь в работе [8] и данные в работе [13]).

Цель настоящей работы — исследование влияния малых (единицы—доли единиц торр) давлений воздуха на амплитуду и длительность тока пучка при оптимальном для вакуумного диода межэлектродном промежутке. Исследования были проведены при длительности формируемого импульса напряжения на полувысоте ~1 нс и его фронте ~0.3 нс.

Для формирования импульсов использовался генератор СЛЭП-150 [9, 10], разработанный для получения пучков электронов в газовых диодах. Конструкции коаксиальной линии, заполненной трансформаторным маслом, и диода аналогичны используемым в работе [9].

Внутренний проводник высоковольтной коаксиальной линии с волновым сопротивлением 30 Ом был образован корпусом обострительного разрядника Р-43, удлиненным на 4 см отрезком цилиндра того же диаметра (4 см). Напряжение пробоя разрядника составляло ~150 кВ.

I, A 700 I-

600 -

500 -

400 -

Т0.5, нс 1.

5

d, нм

-•-1

—V— 2

10

10

100 101 P, Торр

Рис. 1. Зависимости: а — амплитуды тока пучка от величины межэлектродного зазора в вакуумном диоде; б — длительности импульса тока пучка на полувысоте от остаточного давления воздуха в диоде (й = 3 мм) для первого (1) и второго (2) импульсов (см. текст).

I, A 0

0

л\ /

•ч 1 [

•и : б1

1 /

'Ч •ч / /

250 - 'Л • \ 1 1 5 / /

' ^ /

• ч \\\ / /V /

\ / (б)

500 | 1 1 1

0.5

1.0

t, нс

1.5

2.0

Рис. 2. Осциллограммы тока пучка при наличии воздуха в диоде (й = 3 мм) с различным остаточным давлением, Торр: 1 - 7 • 10 —9 • 10-2; 2 - 0.15; 3 - 0.2; 4 - 0.3; 5 — 0.8; 6 — 2; 7 — 5.7.

2

3

4

0

2

4

6

0

Катодом служила трубка диаметром ~6 мм из стальной фольги толщиной 100 мкм. Вывод электронного пучка осуществлялся через анод, который был выполнен из А1-фольги толщиной 10 мкм. Расстояние й между анодом и катодом изменялось от 2 до 12 мм. За фольгой для ослабления тока пучка устанавливались сетки. В такой сборке генератора СЛЭП-150 амплитуда падающей волны напряжения в короткой передающей линии с волновым сопротивлением 100 Ом составляла ~130 кВ. Фронт импульса равнялся ~300 пс по уровню 0.1-0.9. Длительность импульса напряжения на полувысоте в случае согласованной нагрузки должна была составлять ~1 нс. Однако в месте соединения коаксиальной (формирующей) линии с волновым сопротивлением 30 Ом и передающей линии с волновым сопротивлением 100 Ом, а также на промежутке анод-катод возникали отражения, которые увеличивали длительность импульса напряжения и тока пучка при работе в режиме вакуумного диода.

Напряжение в передающей линии регистрировалось емкостным делителем. Ток короткого замыкания генератора измерялся с помощью шунта из чип-резисторов, а ток пучка электронов — с помощью коллектора, который состоял из металлического конуса, образующего с корпусом линию с волновым сопротивлением 50 Ом. Основание конуса, обращенное к фольге, имело диаметр 20 мм [9].

Сигналы с коллектора, емкостных делителей и шунтов подавались на цифровой осциллограф LeCroy WaveMaster 830Zi-A (30 ГГц, 80 выборок за 1 нс) посредством радиочастотных кабелей 5D-FB длиной ~1.3 м. Для ослабления электрических сигналов применялись аттенюаторы 142-NM фирмы Barth Electronics. Временное разрешение системы регистрации было не хуже 0.1 нс. Было проведено исследование влияния на амплитуду пучка электронов межэлектродного зазора и остаточного давления воздуха в вакуумном диоде.

На рис. 1а приведена зависимость амплитуды тока пучка от величины межэлектродного зазора

при откачке диода форвакуумным насосом и давлении в вакуумном диоде не выше 0.1 Торр. Амплитуда тока пучка увеличивалась при уменьшении межэлектродного зазора d и составила ~700 А при d = 2 мм. В отличие от работы [13], где использовался генератор РАДАН-220 с большей длительностью импульса и обострительным разрядником Р-49, в данной работе при применении генератора СЛЭП-150 и величине промежутка

2 мм за несколько десятков импульсов повреждения анодной фольги не отмечалось. При большем числе импульсов и меньших зазорах эксперименты не проводились. Для исследования основных режимов работы ускорителя был выбран зазор

3 мм, при котором за все время испытаний (более 10 тысяч импульсов) повреждений анодной фольги не наблюдалось.

Зависимость длительности импульса тока пучка на полувысоте от остаточного давления воздуха в диоде приведена на рис. 1б, а осциллограммы тока пучка — на рис. 2. При остаточном давлении <0.3 Торр регистрировались два импульса тока пучка с задержкой между максимумами ~1.5 нс (см. рис. 2а). Наибольшие амплитуды и длительности тока пучка при d = 3 мм были получены при откачке диода до давления <0.1 Торр, что соответствовало известному режиму работы ускорителя с вакуумным диодом.

В этих условиях реализовался режим работы диода, близкий к согласованному, а осциллограмма тока пучка состояла, как отмечено выше, из двух импульсов. Длительность фронта импульса тока до первого пика (максимума), который стабильно регистрировался в начале первого импульса тока пучка, составляла ~200 пс (см. рис. 2). Амплитуда второго максимума была больше, чем первого.

Появление второго импульса тока пучка (рис. 2а, см. осциллограммы 1—4) связано с отражением импульса напряжения, полученного в формирующей линии (волновое сопротивление 30 Ом), как от передающей линии (волновое сопротивление 100 Ом) и промежутка, так и от противоположного конца формирующей линии. Измерения показали, что с обострительными разрядниками типа Р-43 и Р-49 на генераторах СЛЭП-150, РАДАН-150 и РАДАН-220 без использования срезающего разрядника сложно получить с вакуумным диодом наносекундный импульс тока пучка, имеющий один пик. Имеется в виду импульс тока пучка, длительность которого примерно соответствует длине импульса высокого напряжения от формирующей линии.

Соотношение амплитуд первого и второго импульсов зависело от межэлектродного зазора. При зазоре в вакуумном диоде <3 мм амплитуда первого импульса превышала амплитуду второго, и ток пучка в первом импульсе увеличивался с уменьшением межэлектродного зазора. Как мы

Рис. 3. Автограф электронного пучка: а — на пленке из винипроза, получен за 20 импульсов при d = 3 мм и остаточном давлении воздуха в диоде ~0.1 Торр; б — на фотопленке РФ-3, помещенной в конверт из черной бумаги, получен за 1 импульс при d = 12 мм (давление воздуха в диоде 1 атм).

уже отмечали, при малых значениях d (<4 мм) в начале первого импульса тока пучка регистрировался первый пик, который определял фронт импульса тока пучка (~0.2 нс). При зазоре 12 мм этот пик отсутствовал. Фронт первого импульса тока пучка увеличивался до ~500 пс, и его амплитуда значительно уменьшалась.

Кроме того, при больших зазорах появлялся третий импульс тока пучка, который обусловлен большим сопротивлением вакуумного диода и многократными отражениями импульса высокого напряжения от промежутка и от противоположного конца формирующей линии. Автограф электронного пучка на пленке из винип

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»