ДИАГНОСТИКА ПЛАЗМЫ
УДК 537.5
ОСОБЕННОСТИ РЕГИСТРАЦИИ ИМПУЛЬСОВ УБЕГАЮЩИХ ЭЛЕКТРОНОВ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ И РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, ГЕНЕРИРУЕМЫХ ВЫСОКОВОЛЬТНЫМИ НАНОСЕКУНДНЫМИ
РАЗРЯДАМИ В АТМОСФЕРЕ
© 2010 г. Л. П. Бабич, Т. В. Лойко
Российский федеральный ядерный центр — Всероссийский научно-исследовательский институт
экспериментальной физики, Саров, Россия
Поступила в редакцию 06.03.2009 г. Окончательный вариант получен 05.06.2009 г.
Излагаются особенности измерений импульсов убегающих электронов высоких энергий и сопутствующего рентгеновского излучения, генерируемых высоковольтными наносекундными разрядами, развивающимися при высоких перенапряжениях в плотных газах. Демонстрируются способы преодоления встречающихся трудностей. Описывается регистрация различными методами импульсов убегающих электронов и рентгеновского излучения, генерируемых разрядами в открытой атмосфере, и демонстрируются характерные ошибки, которые возможны при интерпретации результатов измерений. Использован малогабаритный генератор наносекундных импульсов с напряжением холостого хода 250—270 кВ и запасаемой энергией ~0.5 Дж. Показано, что при регистрации импульса убегающих электронов в конфигурации с анодом-сеткой значительная часть сигнала обусловлена электромагнитной наводкой. Установлено, что рентгеновское излучение преимущественно образуется в результате торможения потока убегающих электронов в аноде, а не в газе. Число убегающих электронов с энергией ~300 кэВ не превышает 109 на импульс, а доза рентгеновского излучения в зависимости от материала анода составляет 60—200 мкР/имп.
ВВЕДЕНИЕ
В конце 1960-х—начале 1970-х годов во ВНИИЭФ были выполнены пионерские исследования высоковольтных наносекундных разрядов в плотных газах, развивающихся в режиме генерации убегающих электронов (УЭ) [1, 2]. Экспериментальные и теоретические исследования этих разрядов велись в СССР и США (см., например, [3—16] и литературу, цитированную в [11, 14]) и продолжаются в РФ (например, [17—30].
В наших экспериментах [4, 5, 10—11, 13—16] в качестве источника наносекундных импульсов высокого напряжения использовался высоковольтный блок разработанного во ВНИИЭФ малогабаритного генератора наносекундных импульсов рентгеновского излучения (РИ) Белкина—Цукермана [31, 32]. Основными его элементами являются импульсный повышающий трансформатор; разрядник-обостритель (обычно, Р-43 с напряжением пробоя = 140—150 кВ, с длительностью фронта менее 1 нс). Высоковольтная емкость С0 ~ 50 пФ образована корпусами генератора и разрядника, индуктивность устройства Ь0 ~ 80 нГн. В режиме холостого хода
генерируется импульс напряжения с амплитудой
Ц1Ше :
1.8 Ц*.
Наиболее исследованы разряды в открытой атмосфере, т.е. в воздухе при атмосферном давлении. Обнаружены особенности, не свойственные классическим газовым разрядам, развивающимся в режиме дрейфа электронов: диффузные формы разрядов без предварительной ионизации промежутка; генерация импульсов УЭ высоких энергий, выходящих за окно разрядной камеры, и РИ; аномально высокие скорости распространения фронта ионизации в промежутке (более 3 х 109 см/с); взрывная эмиссия электронов [11, 14].
Естественно, основное внимание уделялось измерениям числа УЭ за анодом разрядной камеры и их распределений по энергиям, особенно, УЭ с "аномально" высокой энергией е (до 250— 300 кэВ), т.е. е > еЦтах [4, 5, 10, 11, 13-16, 21]. Генерация разрядом в плотной атмосфере электронов высоких энергий оказалась совершенно неожиданной. На доказательство реальности этого интригующего эффекта затрачено много усилий, исследованиям РИ уделялось меньше внимания, поскольку РИ является очевидным вторичным
процессом, сопровождающим транспорт электронов высоких энергий в веществе.
Измерения относительно небольших количеств электронов высоких энергий и вторичного РИ в условиях неблагоприятного электромагнитного окружения, создаваемого самим источником электронов, является крайне сложной задачей. Чувствительность экспериментальной техники, доступной в 1960-80-е годы, не позволяла напрямую регистрировать импульс УЭ из одного разряда (например, с помощью коллектора и токовых шунтов), когда полярность самого сигнала свидетельствует о природе проникающего излучения. Число электронов определялось по заряду 0, накапливаемому на измерительной емкости за п = 20—30 импульсов как N = 0/еп. Исследовались разряды в промежутках с анодом, выполненным из алюминиевой фольги толщиной 8 или 15 мкм, а в качестве окна на входе вакуумирован-ного коллектора использовалась лавсановая пленка толщиной 10 мкм, так что регистрировались электроны с энергий е > 40 кэВ [4, 10, 11, 13— 16]. При разрядах в открытой атмосфере за анодом разрядной камеры зарегистрировано число УЭ N ~ 109 1/имп. Максимальное число N ~ ~ 1011 1/имп. зарегистрировано при разрядах в гелии при Р = 22 Тор. Об эффективности генерации УЭ можно судить, сравнивая еКе с зарядом в накопительной емкости генератора С0иш ~ 7.5 мкКл. Временные параметры импульса УЭ оценивались по люминесценции пластмассы Б12 (т05 « 0.49 нс), возбуждаемой электронами. Свечение регистрировалось с помощью фотоэлемента СДФ-14 (т05 « ~ 0.3 нс) и осциллографа СРГ-5. Длительность на полувысоте зарегистрированного импульса люминесценции Дт05 « 0.85 нс. Восстановленная длительность импульса УЭ А^ не превышает 0.25 нс [10, 11, 14]. Следовательно, ток УЭ при разрядах в открытой атмосфере оценивается величиной 1ЕЕ « г^е/> 0.6 А. С субнаносекундным разрешением измерены импульсы напряжения и газоразрядного тока. Измеренная амплитуда импульса напряжения холостого хода генератора иШе достигает 270 кВ, длительность фронта Тше < 0.6 нс [33]. Во время разряда на газовом промежутке реализуется импульс напряжения с амплитудой итах < иШе и длительностью фронта т и < т1а1е. Амплитуда импульса тока достигает 1т = = 1.5 кА, длительность фронта — т1 < 0.5 нс [11, 14]. Показано, что импульс УЭ генерируется на фронте импульса тока, причем число УЭ практически не зависит от 1т [11, 14]. Следовательно, длительность процесса генерации импульса УЭ значительно меньше фронта импульса тока 0.5 нс.
В последние годы возродился интерес к газовым разрядам в плотных газах, развивающимся в
режиме УЭ. За небольшой срок, 2003—2008 гг., группой В.Ф. Тарасенко опубликован ряд статей (см. [22—25, 27—29] и цитируемую литературу). В большинстве экспериментов использовались генераторы серии РАДАН [34], основными элементами которого являются импульсный трансформатор, разрядник — обостритель высокого давления (Р-43, Р-49) и формирующая линия. Электрическая схема формирования импульса напряжения принципиально не отличается от схемы генератора Белкина—Цукермана. Исследовался разряд, развивающийся в открытой атмосфере при приложении к промежутку импульсов напряжения с амплитудой десятки и сотни киловольт и длительностью фронта менее 1 нс.
За десятилетия исследований разрядов в плотных газах, развивающихся в режиме УЭ под действием импульсов высокого напряжения с субна-носекундным фронтом, во ВНИИЭФ накоплен опыт регистрации относительно небольших количеств УЭ и РИ, генерируемых этими разрядами. В предлагаемом сообщении излагаются особенности измерений характеристик импульсов УЭ и РИ и способы преодоления встречающихся трудностей. Эти способы в явном виде в наших работах [4, 5, 10, 11, 14—16] не описывались. Выполнена регистрация УЭ высоких энергий и РИ различными методами, показаны возможные неточности, которые могут возникнуть при интерпретации результатов измерений.
РЕГИСТРАЦИЯ ИМПУЛЬСОВ
УБЕГАЮЩИХ ЭЛЕКТРОНОВ
Разряды осуществлялись в камере с плоским изолятором диаметром 10 см из органического стекла. Катодом служил стальной стержень диаметром 12 мм с конической рабочей поверхностью и углом при вершине 2а = 60°, анодом — алюминиевая фольга толщиной 15 мкм или медная сетка с геометрической прозрачностью 0.54. Напряжение пробоя разрядника — обострителя = 135—145 кВ. Как и в предыдущих наших исследованиях [11, 14—16], при межэлектродных расстояниях d > 1 см развивались объемные разряды, когда на катоде формируется яркое плазменное образование с характерным размером ■d, а остальное газоразрядное пространство излучает слабую диффузную флуоресценцию. Типичная фотография свечения разряда при d = 2 см приведена на рис. 1.
Рентгеновская пленка РТ-1, помещенная в кассете за А1 анодом, засвечивается одним импульсом УЭ. Почернение пленки соответствует насыщению ее характеристической кривой. Пятно почернения увеличивается с ростом межэлектродного расстояния: при d = 0.5 см размер пятна составляет 5—6 мм, при d = 1.5 см — около 3 см. В случае катодов с развитой рабочей поверхно-
Рис. 1. Свечение разряда в атмосфере. Внизу — острый катод, вверху — плоский анод.
стью, неважно, гладкой или шероховатой, формируется несколько газоразрядных каналов, и число пучков УЭ равно числу каналов [11, 14—16], причем распределение почернения в пятне соответствует структуре эмитирующих центров на катоде, что особенно четко наблюдается при малых й. Если пленку расположить на достаточно большом расстоянии от анода (5—10 см), то почернение, вызываемое импульсом УЭ, соответствует линейной части характеристической кривой пленки, а за всем окном кассеты диаметром 4 см почернение пленки становится однородным. Это обстоятельство позволяет использовать потоки УЭ для исследования структуры тонких объектов. В качестве примера на рис. 2 приведен снимок в электронах листа березы. Видно, как четко прорисовывается структура листа.
Для исследований характеристик УЭ использование конического катода с одним локализованным эмиссионным центром предпочтительно по сравнению с фольговыми катодами [22—25], на которых образуется несколько эмиссионных центров, а в разрядном промежутке — соответственно несколько взаимодействующих токовых каналов, что сказывается на энергии и спектре УЭ и без необходимости усложняет интерпретацию результатов исследований и без того сложного явления.
Временные параметры импульса УЭ измерялись нами с помощью системы регистрации,
Рис. 2. Снимок листа березы в электронах на пленке
РТ-1.
включающей коллект
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.