научная статья по теме ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ АДСОРБИРОВАННЫХ МОЛЕКУЛ НА РАБОТУ ДИОДА С ВЗРЫВОЭМИССИОННЫМ КАТОДОМ Физика

Текст научной статьи на тему «ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ АДСОРБИРОВАННЫХ МОЛЕКУЛ НА РАБОТУ ДИОДА С ВЗРЫВОЭМИССИОННЫМ КАТОДОМ»

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2008, № 6, с. 103-113

_ ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ _

--ТЕХНИКА -

УДК 621.385+621.387

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ АДСОРБИРОВАННЫХ МОЛЕКУЛ НА РАБОТУ ДИОДА С ВЗРЫВОЭМИССИОННЫМ КАТОДОМ

© 2008 г. А. И. Пушкарев, Р. В. Сазонов

НИИ высоких напряжений Томского политехнического университета Россия, 634050, Томск, просп. Ленина, 2а Поступила в редакцию 14.11.2007 г.

После доработки 18.03.2008 г.

Представлены результаты экспериментального исследования влияния адсорбированного газа и поверхностных загрязнений взрывоэмиссионного катода на работу диода при генерации сильноточного электронного пучка наносекундной длительности. Влияние загрязнений определяли по изменению скорости расширения катодной плазмы планарного диода с катодами разной конструкции, изготовленными из разного материала, при изменении начального зазора анод-катод. Скорость плазмы рассчитывали из экспериментального первеанса диода с разрешением 0.2 нс. Эксперименты выполнены на импульсном электронном ускорителе ТЭУ-500 (350-450 кВ, 100 нс, 250 Дж в импульсе) в режиме согласования импеданса диода и выходного сопротивления наносекундного генератора. Получено, что скорость катодной плазмы постоянна в течение 70-90 нс после приложения напряжения для разных катодов и при разных зазорах анод-катод. Для катодов (разного диаметра) из углеродной ткани она составила 2 ± 0.5 см/мкс, для многоигольчатого вольфрамового катода -3 ± 0.5 см/мкс, а для медного сплошного и многоострийного катодов - 4 ± 0.5 см/мкс. Существенная зависимость скорости плазмы от материала катода показывает, что влияние адсорбированного газа и поверхностных загрязнений катода на скорость расширения взрывоэмиссионной плазмы в пла-нарном диоде в течение генерации электронного пучка (через 10-15 нс после приложения напряжения) незначительно.

PACS: 52.80.Vp

Планарные диоды с взрывоэмиссионным катодом широко используются для генерации электронных пучков большого сечения с высокой плотностью тока. При анализе их работы многие исследователи отмечают существенный вклад в процесс формирования взрывоэмиссионной плазмы адсорбированного газа и поверхностных загрязнений на катоде. В монографии Месяца Г. А. [1] показано, что давление остаточного газа и способ получения вакуума в камере влияют на стабильность токо-отбора с катода. При переходе от безмасляного высокого вакуума к масляной откачке и повышении давления до 0.1 Па катоды работают стабильнее, ресурс их работы составляет более 106 включений. Приведенные результаты позволяют утверждать [1], что на возбуждение центров эмиссии влияют поверхностные загрязнения. При их наличии уменьшается время запаздывания возникновения катодного факела.

В [2, 3] изложены результаты исследования взрывоэмиссионного металлокерамического катода из оксидной нанокерамики, по объему которой равномерно распределены металлические частицы. Авторы предполагают, что возникновение плазмы обусловлено развитием разряда в газе в приповерхностных микропорах между диэлектриком и металлом. Существенный вклад газовыделе-

ния в работу взрывоэмиссионных катодов с войлочным и бархатным покрытием при генерации электронных пучков с плотностью тока 20-30 А/см2 и при ускоряющем напряжении 300-400 кВ отмечается в работе [4].

Известно, что скорость разлета взрывоэмиссионной плазмы зависит в основном от материала катода, из которого образуется плазма [1]. Влияние адсорбированного газа и загрязнений поверхности взрывоэмиссионного катода на работу диода можно определить по скорости разлета плазмы при использовании катодов из разных материалов и разной конструкции (сплошной, многоострийный или покрытый углеродной тканью). При измерении скорости распространения катодной плазмы в сравнимых вакуумных условиях (одинаковые адсорбированные молекулы и скорость адсорбции) определяющее влияние загрязнений на плазмооб-разование приведет к тому, что скорость катодной плазмы (хотя бы в начальный период генерации электронного пучка) для разных катодов будет одинакова.

Цель данной работы - исследование влияния адсорбированного газа и поверхностных загрязнений взрывоэмиссионного катода на изменение скорости расширения катодной плазмы в течение генерации электронного пучка.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Эксперименты проводились на импульсном электронном ускорителе ТЭУ-500 [5] с параметрами: ускоряющее напряжение 350-450 кВ, длительность импульса по основанию 100 нс, полная энергия электронов в импульсе до 250 Дж. Частота следования импульсов в экспериментах составляла 0.5-1 с-1. Отличительной особенностью конструкции ускорителя являлось использование повышающего автотрансформатора, включенного между двойной формирующей линией и диодом, для согласования высокого импеданса диода с низким волновым сопротивлением формирующей линии [6].

Для измерения напряжения использовали емкостный делитель, расположенный в маслонапол-ненной камере. Полный ток электронного пучка измеряли цилиндром Фарадея, который откачивался вместе с диодной камерой паромасляным диффузионным насосом до давления 0.04-0.05 Па. Вакуум в диодной камере контролировали в процессе измерений магнитным электроразрядным манометрическим преобразователем и вакуумметром ВМБ-8. Высокая скорость откачки вакуумной системы обеспечивала восстановление вакуума в диодной камере за время между импульсами.

Электрические сигналы, поступающие с датчиков, регистрировали осциллографом Tektronix 3052B (500 МГц, 5 ■ 109 отсчетов/с). Погрешность синхронизации электрических сигналов не превышала 0.4 нс. Точность измерения напряжения и полного тока электронного пучка позволяла измерять первеанс диода с погрешностью не хуже 10%.

Исследования были выполнены для планарной конфигурации диода. Плоский катод имел диаметр 43-60 мм, в качестве анода использовали плоскую решетку с прорезями шириной 6 мм и прозрачностью 70%. Расстояние между анодной решеткой и коллектором цилиндра Фарадея составляло 5 мм. В ряде экспериментов в качестве анода использовали плоский медный коллектор цилиндра Фарадея диаметром 92 мм. Конструкция диодного узла и расположение диагностического оборудования подробно изложены в работе [7].

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ПЛАЗМЫ

Наиболее высокое временное разрешение достигается при расчете скорости катодной плазмы из экспериментальной вольт-амперной характеристики (в.а.х.) диода. Оптические наблюдения движения катодной плазмы дают разрешение во времени не лучше 5 нс [8, 9], что затрудняет определение скорости в начальный период формирования импульсного электронного пучка.

Исследования диодов с разными катодами (плоским, острийным, многоострийным и др.), обзор которых приведен в [1], показали, что элек-

тронный ток в режиме ограничения объемным зарядом описывается соотношением

1е = АиЪП% , d0

где А = 2.33 мкА/В3/2; и - напряжение, приложенное к диоду; £0 - площадь катода; d0 - зазор анод-катод; F - форм-фактор, определяемый конструкцией катода.

С учетом расширения плазменной эмиссионной поверхности плоского катода ток диода равен [10]

Ie =

A U3/2 Fn ( r0 + v t ) 2 (do- vt)2

(1)

где г0 - радиус катода, V - скорость расширения катодной плазмы.

Из соотношения (1) получим выражение для скорости расширения катодной плазмы:

Kdo — ro

v( t) = t(KTT) ' где K =

12.33 • 10-6Fn Uvr

(2)

Скорость разлета катодной плазмы корректно рассчитывать из в.а.х. диода только при условии его работы в режиме ограничения электронного тока объемным зарядом. Режим работы удобно определять, сравнивая экспериментальные и расчетные значения первеанса диода. Совпадение этих значений соответствует ограничению тока диода объемным зарядом. В начальный период генерации электронного пучка (режим дискретной эмиссионной поверхности) и в режиме насыщения ток ограничивается эмиссией электронов с катода, поэтому экспериментальные значения первеанса будут ниже расчетных. Первеанс диода в режиме ограничения тока объемным зарядом равен

Р

расч

U

3/2

2. 3 3 • 10-6 п F ( r 0 + vt ) 2

( do - v t )2

(3)

Делитель напряжения в ускорителе ТЭУ-500 расположен в масляном объеме и измеряет сумму напряжения, приложенного к зазору анод-катод, и падения напряжения на индуктивности Ь держателя катода. Поэтому расчет экспериментальных значений первеанса диода выполнен по соотношению

Рэ

dI^3/2 ' U - L-I dt

Величину индуктивности при расчетах принимали равной 160 нГн, это значение получено при калибровке диодного узла в режиме короткого замыкания.

и, кВ 0

-100 --200 --300 --400

4, кА

П

, 2

• •

п

20

40 60

t, не

80

100

Рис. 1. Оециллограммы напряжения (1), приложенного к диоду, и полного тока электронного пучка (2).

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИОДА С КАТОДОМ ИЗ УГЛЕРОДНОЙ ТКАНИ

Для углерода пороговая напряженноеть элек-тричеекого поля, при которой начинаетея взрывная эмиееия электронов, меньше, чем у меди и других металлов, поэтому он чаще веего иеполь-зуетея для изготовления взрывоэмиееионных катодов. Скороеть разлета катодной плазмы корректно раеечитывать по еоотношению (2) только при работе в режиме ограничения тока объемным зарядом, который еоответетвует заполнению плазмой веей поверхноети катода. Однако для образования еплошной эмиееионной поверхноети на графите требуетея более 40 не, что уеложняет анализ влияния поверхноетных загрязнений на работу диода.

В работе [11] предложено иепользовать в каче-етве холодного катода углеродную ткань. Выполненные иееледования показали, что применение углеродной (графитовой) ткани позволяет значительно уекорить переход диода в режим ограничения электронного тока объемным зарядом [10]. На рие. 1 приведены оециллограммы полного тока электронного пучка и напряжения, приложенного к диоду е катодом диаметром 45 мм, выполненным из алюминия и покрытым углеродной тканью. Оециллограммы уереднены по 10 поеледова-тельным импульеам, еледующим е чаетотой 0.5 е-1 поеле тренировки катода в течение 10-20 импуль-еов. В этой еерии экепериментов в качеетве анода иепользовали плоекую решетку е прорезями. Ток,

измеряемый цилиндром Фарадея, корректировали е учетом прозрачноети решетки [7].

На рие. 2 показаны экепериментальные значения первеанеа диода в течение

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»