ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2011, том 37, № 5, с. 444-457
ПУЧКИ В ПЛАЗМЕ
УДК 537.5
ПАРАМЕТРЫ СВЕРХКОРОТКОГО ЛАВИННОГО ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА, ГЕНЕРИРУЕМОГО В ВОЗДУХЕ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ,
И ИХ ИЗМЕРЕНИЕ
© 2011 г. В. Ф. Тарасенко
Институт сильноточной электроники СО РАН, Томск, Россия Поступила в редакцию 03.08.2010 г. Окончательный вариант получен 07.10.2010 г.
Установлены условия, при которых число убегающих электронов в воздухе атмосферного давления составляет ~5 х 1010. Даны рекомендации для создания ускорителей убегающих электронов. Приводятся методики измерений параметров сверхкороткого лавинного электронного пучка и импульсов рентгеновского излучения из газовых диодов, а также тока разряда и напряжения на промежутке. Предложена методика для определения времени генерации убегающих электронов относительно импульса напряжения. Показано, что спад напряжения на промежутке и уменьшение амплитуды тока пучка совпадают во времени. Анализируется механизм генерации пучков электронов в газовых диодах с наибольшими амплитудами. Экспериментально подтверждено, что при оптимальных режимах в воздухе атмосферного давления число электронов с энергией Т> еит, где ит — максимальное напряжение на промежутке, мало.
1. ВВЕДЕНИЕ
О получении пучка убегающих электронов за фольгой газового диода при повышенных давлениях впервые было сообщено в работе [1]. За один импульс в воздухе атмосферного давления было зарегистрировано ~109 электронов. Генерация убегающих электронов и рентгеновского излучения играет важную роль при формировании разрядов в неоднородном электрическом поле, определяя форму разряда и пробивное напряжение [1—7]. Факт генерации убегающих электронов даже при малой скорости нарастания напряжения на промежутке и больших межэлектродных зазорах легко установить по наличию рентгеновского излучения [2, 5—7]. Ослабление рентгеновских квантов в различных материалах существенно меньше, чем у электронов с той же энергией. Соответственно, рентгеновское излучение достигает приемника на больших расстояниях и за более толстыми экранами. А использование фотоэлектронных умножителей позволяет регистрировать даже очень слабое свечение сцинтиллятора под действием рентгеновского излучения.
Явление генерации пучков убегающих электронов в лабораторных разрядах представляет большой научный интерес и может найти широкое практическое применение в различных областях науки и техники. Однако использование ускорителей с газовыми диодами ограничивает малое число электронов за анодом из фольги, и соответственно, малые амплитуды тока пучка убегающих электронов, которые были получены в большинстве известных работ. К настоящему
времени сверхкороткий лавинный электронный пучок (СЛЭП [4]), полученный при атмосферном давлении, был использован для инициирования объемного разряда в С02 лазере [8] и для возбуждения люминесценции в кристаллах [9—12]. Причем, в работе [12] временные характеристики люминесценции в кальците, алмазе (натуральном и искусственном), а также в сподумене были получены при временном разрешении системы регистрации не хуже 0.3 нс. Касаясь вопроса применений пучков убегающих электронов, следует также отметить работы [13, 14], в которых для инициирования объемного разряда при повышенных давлениях в широкоапертурных лазерах использовалось одновременно рентгеновское излучение, а также проходившие через сетку электронный пучок и УФ-излучение из плазмы наносе-кундного разряда. Ограниченное число применений СЛЭП связано со сложностью получения пучков убегающих электронов при повышенных давлениях и с их малыми амплитудами в неоптимальных условиях, а также с трудностями при регистрации параметров тока пучка из-за малой длительности импульса и наличия электромагнитных наводок.
В работе [15], опубликованной в 2010 г. и посвященной особенностям регистрации импульсов убегающих электронов высоких энергий и рентгеновского излучения, сообщалось, что группой из Всероссийского научно-исследовательского института экспериментальной физики
(ВНИИЭФ) было получено за фольгой 0.6 х 109 электронов (с. 289). Это число электронов суще-
ственно меньше, чем было получено в лаборатории оптических излучений Института сильноточной электроники СО РАН (ЛОИ ИСЭ СО РАН) [4, 16—18]. Кроме того, авторам [15] не удалось увеличить число убегающих электронов за фольгой относительно первой работы [1]. Анализ результатов, представленных в [15], показал, что в данной работе исследования проведены при временном разрешении осциллографа ~0.8 нс, тогда как длительность тока пучка убегающих электронов в воздухе атмосферного давления, согласно нашим измерениям [4, 16, 17], составляет ~0.1 нс. При регистрации пучка электронов и тока смещения через сетку в [15] не учтено влияние размера ячейки сетки на величину тока смещения, а также нет четких выводов относительно спектра пучка убегающих электронов. Главный же недостаток работы [15] в том, что ее авторы не смогли найти условия для генерации пучка убегающих электронов с числом электронов, превышающим ~109. Хотя амплитуды тока пучка более 10 А (число
электронов > 5 х 109) были получены как в работах сотрудников ЛОИ ИСЭ СО РАН [4, 16-19], так и в работе сотрудников Института электрофизики УрО РАН (ИЭФ УрО РАН) [20].
Цель данной работы, — во-первых, описать методики измерений параметров сверхкороткого лавинного электронного пучка, напряжения на промежутке и тока разряда с временным разрешением ~100 пс. Во-вторых, привести конструкции ускорителя и газового диода, на которых в воздухе атмосферного давления получена амплитуда тока пучка ~80 А. Эта амплитуда при длительности импульса тока на полувысоте ~100 пс соответствует
генерации ~5 х 1010 электронов.
Отметим, что параметры СЛЭП в воздухе атмосферного давления и других газах очень сильно зависят от конструкции газового диода и катода, а также от длительности фронта и амплитуды импульса напряжения. Поэтому в данной работе приведен комплекс данных по измерениям параметров тока пучка и разряда, а также подробно описана оптимальная конструкция газового диода и катода. Предполагается, что результаты данной работы позволят создать в других лабораториях ускорители электронов на основе газовых диодов с амплитудой пучка убегающих электронов в десятки ампер. Соответственно, в будущем это расширит применение пучков убегающих электронов.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ АППАРАТУРА, МЕТОДИКИ И ИХ АНАЛИЗ
Для регистрации импульсов напряжения с коллекторов, емкостных делителей и датчиков тока разряда (шунтов) применялся осциллограф DPO70604 (6 ГГц, 25 выборок за наносекунду),
который для защиты от наводок помещался в экранкомнату. Электрические сигналы с емкостных делителей, шунтов и коллекторов снимались с помощью радиочастотных коаксиальных разъемов N-типа. Для ослабления электрических сигналов применялись аттенюаторы 142-NM фирмы Barth Electronics. Длина измерительных кабелей выбиралась минимально возможной. Как известно, при увеличении длины регистрационного кабеля длительность субнаносекундного импульса увеличивается, а его амплитуда уменьшается (см., например, данные по увеличению длительности СЛЭП в [21]). В данной работе использовались радиочастотные кабели 5D-FB длиной ~1.3 м, волновым сопротивлением 50 Ом, которые имели ослабление для сигнала с частотой 5 ГГц 63 децибела на 100 м. Ток пучка или число электронов с части поверхности фольги регистрировались коллекторами с диаметром приемной части 3, 5, 9 и 20 мм. Приемная часть коллектора была согласована с разъемом и кабелем (см. рис. 1 и 2). Полное число электронов пучка за всей поверхностью фольги определялось дисковым коллектором с диаметром приемной части 56 мм. Также этим коллектором измерялось число электронов через диафрагму с отверстием диаметром 9 мм и определялось соотношение между амплитудой тока пучка в центральной части фольги и полным током пучка. Временное разрешение коллектора с приемной частью 3 мм (рис. 1) составляло ~50 пс,
а с приемной частью 20 мм (рис. 2)--100 пс
[4, 17, 21]. Кроме того, ток пучка или число электронов регистрировались коллектором с приемной частью 20 мм также через диафрагму с отверстиями диаметром 9 мм. Благодаря этому дополнительно проверялись показания коллектора с диаметром приемной части 56 мм.
Ток разряда измерялся с помощью датчиков, нагруженных на шунты из пленочных чип-резисторов или полосковых линий [4, 17]. Чип-резисторы при выборе соответствующих размеров и номиналов позволяют работать в диапазоне частот вплоть до единиц гигагерц [22]. Конструкция датчика тока с шунтом на полосковых линиях, который имел наилучшее временное разрешение (~100 пс) при измерениях тока разряда, изображена на рис. 3 [23]. Датчик состоял из медного диска 1 и двенадцати радиально расходящихся микрополосковых линий 2, с одной стороны соединенных с диском (рис. 3а), а с другой стороны нагруженных на согласованные сопротивления 4 величиной 2 Ом, набранные из соединенных параллельно пяти чип-резисторов с сопротивлением 10 Ом каждый (рис. 3б). Эти полосковые линии образовывали шунт с сопротивлением Rm = p/n, где р — волновое сопротивление полос-ковой линии, n — количество полосковых линий, образующих шунт. Они изготавливались из двустороннего фольгированного стеклотекстолита
Рис. 1. Конструкции выходной части генератора СЛЭП-150 с передающей линией: 1 — генератор, 2 — обострительный разрядник, 3 — передающая линия, 4 — емкостные делители для измерений напряжений и (слева) и Ц2 (справа), 5 — газовый диод, 6 — катод из фольги диаметром 6 мм, 7 — коллектор с диаметром приемной части 3 мм, 8 — фольга, 9 — диафрагма.
марки СОНФМ-2-18 толщиной 200 мкм, на одной стороне которого путем химического травления часть фольги была удалена и оставлены металлические полоски шириной 12 мм и длиной 270 мм. Расчет критической частоты для волн высших типов по формулам, приведенным в [24], показал, что такие полосковые линии позволяют работать в диапазоне частот вплоть до ~5 ГГц. В центре стеклотекстолитового круга, на котором располагались полосковые линии, было вырезано отверстие диаметром 50 мм. Медный диск припаивался к полоскам. Электрический
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.