ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2015, том 41, № 3, с. 294-299
ПУЧКИ В ПЛАЗМЕ
УДК 537.523.9
ГЕНЕРАЦИЯ УБЕГАЮЩИХ ЭЛЕКТРОНОВ И РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПРИ ПРОБОЕ ВОЗДУХА АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ ИМПУЛЬСАМИ НАПРЯЖЕНИЯ
С ФРОНТОМ ~0.5 мкс © 2015 г. И. Д. Костыря, В. Ф. Тарасенко
Институт сильноточной электроники СО РАН, Томск, Россия e-mail: VFT@loi.hcei.tsc.ru Поступила в редакцию 19.08.2014 г.
Проведены эксперименты по генерации пучка убегающих электронов и рентгеновского излучения в воздухе атмосферного давления при большой (~0.5 мкс) длительности фронта импульса напряжения. Показано, что применение катода с малым радиусом кривизны уменьшает интенсивность пучка убегающих электронов и рентгеновского излучения. Установлено, что при высоких амплитудах напряжения на промежутке (Um ~100 кВ) пробой промежутка, образование искрового канала и генерация пучка убегающих электронов происходят за время не более 10 нс. За анодом при высоких Um, что достигалось за счет увеличения размеров катода и зазора между электродами, зарегистрирован сверхкороткий лавинный электронный пучок со сравнительно короткой длительностью импульса на полувысоте (до ~100 пс). При напряжениях ~50 кВ обнаружен второй режим пробоя промежутка, в котором зарегистрирован пучок убегающих электронов с длительностью импульсов на полувысоте ~2 нс. Показано, что длительность импульса рентгеновского излучения в этом режиме возрастает до ~100 нс на полувысоте. Установлено, что энергия основной части убегающих электронов при увеличении фронта импульса напряжения уменьшается, и составила в первом режиме <30 кэВ, а во втором <10 кэВ.
DOI: 10.7868/S0367292115030051
1. ВВЕДЕНИЕ
Пучки убегающих электронов (ПУЭ) и рентге-
новское излучение (РИ) за анодом из тонкой
фольги при высоковольтном пробое в воздухе ат-
мосферного давления и других газах наиболее легко получить и зарегистрировать при подаче на
промежуток с катодом, имеющим малый радиус кривизны, импульсов напряжения с субнаносе-кундным фронтом импульса напряжения, см., например, [1—9]. Сокращение длительности
фронта импульса напряжения, при прочих равных условиях, позволяет получать наибольшие амплитуды ПУЭ и наибольшие экспозиционные дозы рентгеновского излучения.
При увеличении длительности фронта импульса напряжения число электронов в сверхкоротком лавинном электронном пучке (с.л.э.п.) существенно уменьшается, что усложняет их регистрацию. К настоящему времени о регистрации пучка убегающих электронов за фольгой при микросекундном фронте импульса напряжения сообщалось только в работах одной научной группы [10, 11]. Измерения ПУЭ в [10, 11] проводились при пробое воздуха атмосферного давления. В работе [ 10] наличие ПУЭ определялось по
автографам на пленке РТ-1. Оценочные измерения количества убегающих электронов, проведенные по почернению пленки, дали величину 107. Быстрые электроны были зарегистрированы только на фронте импульса тока проводимости. Энергия убегающих электронов при напряжении пробоя промежутка 70 кВ, по утверждению автора [ 10], соответствовала амплитуде приложенного напряжения. Также в [10] утверждалось, что ПУЭ был получен при длительности фронта импульса напряжения 0.4, 1.2 и 2 мкс. В работе [11] измерена длительность импульса тока пучка при ограниченном временном разрешении используемой аппаратуры, которая составила не более 0.8 нс. Также сообщалось о получении в отдельных импульсах 108 быстрых электронов.
Следует отметить, что даже для установок с субнаносекундным и наносекундным фронтом импульса напряжения результаты, приводимые в различных работах, существенно отличаются. Например, данные по спектрам, амплитуде, форме и длительности ПУЭ (с.л.э.п.) за анодной фольгой в работах [2—12]. Эти различия, а также различие в предлагаемом механизме генерации убегающих электронов обусловлены следующи-
ми основными причинами. В-первых, параметры ПУЭ и РИ сильно зависят от условий конкретного эксперимента и для их сопоставления необходимо строгое соответствие условий эксперимента и конструкции газового диода. При этом следует использовать современные методики измерений, датчики, осциллографы и добиваться стабильной работы газового диода. Во-вторых, длительности импульсов ПУЭ и РИ при атмосферном давлении воздуха малы (~ 100 пс [2]) и зависят от условий эксперимента [2, 4—9]. Число электронов за фольгой газового диода во многих работах [3, 11, 12], где не были реализованы оптимальные условия для генерации ПУЭ, не превышает 109, что усложняет их регистрацию. Отметим, что максимальное число убегающих электронов за анодной фольгой (электронов с.л.э.п.) в воздухе атмосферного давления было получено при оптимизации конструкции газового диода и катода в работе [7] и составило ~6 х 1011 электронов. В-третьих, в виду сложности процессов, протекающих на катоде и в промежутке с неоднородным электрическим полем, а также из-за короткой длительности с.л.э.п. моделирование процессов в газовом диоде весьма сложно, и созданные теоретические модели [8, 13, 14] объясняют только часть процессов при генерации ПУЭ.
Рентгеновское излучение при атмосферном давлении воздуха и подаче на катод с малым радиусом кривизны импульсов напряжения с микросекундной длительности фронта и амплитудой >100 кВ было получено в нескольких научных группах, см., например, [15—17]. Однако при увеличении фронта импульса напряжения интенсивность РИ, также как и число электронов в с.л.э.п., существенно уменьшалась. Поэтому для его регистрации в [15—17] использовались специальные сборки сцинтилляторов с ФЭУ. Впервые при атмосферном давлении воздуха рентгеновское излучение микросекундной длительности с помощью сборки сцинтиллятора с ФЭУ было зарегистрировано в фазе формирования искрового канала в [18]. В [19] РИ из промежутка было зарегистрировано при коронном разряде. При коронном разряде рентгеновское излучение за большое число импульсов (~ 1000) также зарегистрировано по автографу на пленке РФ-3 [20].
Цель данной работы — исследовать генерацию ПУЭ и рентгеновского излучения в воздухе атмосферного давления при фронте импульса напряжения ~0.5 мкс. Постановку данной задачи стимулировали предварительные результаты по изучению генерации ПУЭ в воздухе атмосферного давления при фронте импульса напряжения в сотни наносекунд, в этих экспериментах нами были зарегистрированы импульсы рентгеновского излучения с длительностью на полувысоте
~ 100 нс и импульсы быстрых электронов с длительностью на полувысоте ~2 нс.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКИ
На газовый диод подавались импульсы напряжения от генератора, подобного генератору СЛ-ЭП-150 [5, 7, 21]. Для увеличения фронта импульса напряжения обострительный разрядник, устанавливаемый в коаксиальной линии при обычной сборке генератора СЛЭП-150, был убран. Отрезок коаксиальной высоковольтной линии заряжался от импульсного трансформатора, центральный проводник которой был соединен с катодом в газовом диоде и через индуктивность с корпусом генератора. Внутренний диаметр изолятора и металлического корпуса газового диода у анодной фольги равнялся, соответственно, 54 и 64 мм. Во всех опытах газовый диод был заполнен воздухом при давлении одна атмосфера. Амплитуда импульсов напряжения холостого хода зависела от зарядного напряжения конденсатора, соединенного с первичной обмоткой импульсного трансформатора.
Были испытаны три различных типа катода. Катодом № 1, который имел наименьший радиус кривизны, служила трубка из нержавеющей стали диаметром 6 мм, изготовленная из фольги толщиной 100 мкм. Катод № 2 имел форму заостренной пули с диаметром цилиндрической части 6 мм. Катод № 3 имел форму шара диаметром 9.5, или 12.5, или 15.1 мм. Катоды № 2 и № 3 также были изготовлены из нержавеющей стали. Анод был плоский и изготовлялся из металлических сеток с разными прозрачностью и размерами ячейки. За сеткой устанавливались экраны из А1 фольги толщиной 10 мкм или металлизированной алюминием пленки из кимфоли толщиной 2 мкм. Кроме того, при регистрации рентгеновского излучения использовались аноды из медной фольги толщиной 20 мкм и алюминиевой фольги толщиной 100 мкм. Расстояние между анодной фольгой (или сеткой) и катодом могло изменяться от 6 мм до 25 мм. Эксперименты проводились в режиме однократных импульсов. Форма импульса напряжения в отсутствие пробоя промежутка показана на рис. 1. Время нарастания напряжения до максимума составляет ~0.5 мкс. Напряжение пробоя промежутка зависело от зарядного напряжения конденсатора в первичном контуре импульсного трансформатора, конструкции катода и величины межэлектродного зазора.
Для регистрации с.л.э.п. за анодом устанавливался коллектор. Сигнал с коллектора передавался с помощью коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 50 Ом. Диаметр приемной части коллектора, изготовленного из алюминия, равнялся 20 пли 62 мм. Расстояние от анода до при-
и, кВ
-60 —1-1-1-1-
-0.4 0 0.4 0.8 1.2
мкс
Рис. 1. Осциллограмма напряжения холостого хода.
емной части коллектора составляло 5 и 2 мм, соответственно. Рентгеновское излучение регистрировалось с помощью ФЭУ-100 по люминесценции сцинтиллятора, установленного за анодом, с временным разрешением на хуже 2 нс. Кроме того, для регистрации автографов рентгеновского излучения и с.л.э.п. применялась фотопленка РФ-3, которая помещалась в конверты из черной бумаги толщиной 80 и 120 мкм. Интегральное свечение разряда в газовом диоде фотографировалось фотоаппаратом Зенит-11. Временные характеристики излучения разряда определялись с помощью фотодиода ФЭК-22. Импульсы напряжения регистрировались емкостным делителем напряжения, а ток через разрядный промежуток с помощью шунта. Электрические импульсы с делителя напряжения, коллектора, ФЭУ и шунта подавались на осциллограф TDS3034 (300 МГц, 2.5 выборки за наносекунду) или DPO70604 (6 ГГц, 25 выборок за наносекунду).
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
При фронте импульса напряжения микросекундного диапазона нами впервые были зарегистрированы два режима генерации ПУЭ и РИ с различными длительностями импульсов. Первый режим регистрировался с катодами большого размера, которые не и
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.