научная статья по теме ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОННЫХ И ИОННЫХ ПУЧКОВ, ГЕНЕРИРУЕМЫХ ВЫСОКОВОЛЬТНЫМИ НАНОСЕКУНДНЫМИ РАЗРЯДАМИ В ПЛОТНЫХ МОЛЕКУЛЯРНЫХ ГАЗАХ Физика

Текст научной статьи на тему «ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОННЫХ И ИОННЫХ ПУЧКОВ, ГЕНЕРИРУЕМЫХ ВЫСОКОВОЛЬТНЫМИ НАНОСЕКУНДНЫМИ РАЗРЯДАМИ В ПЛОТНЫХ МОЛЕКУЛЯРНЫХ ГАЗАХ»

ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2004, том 30, № 7, с. 630-634

УДК 537.5

ПУЧКИ ПЛАЗМЕ

ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОННЫХ И ИОННЫХ ПУЧКОВ, ГЕНЕРИРУЕМЫХ ВЫСОКОВОЛЬТНЫМИ НАНОСЕКУНДНЫМИ РАЗРЯДАМИ В ПЛОТНЫХ МОЛЕКУЛЯРНЫХ ГАЗАХ

© 2004 г. Л. П. Бабич, Р. И. Илькаев, Т. В. Лойко, Н. Г. Павловская, В. Т. Пунин

Российский федеральный ядерный центр -Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики

Поступила в редакцию 01.07.2003 г.

Сообщается о наблюдении упорядоченной структуры пучков электронов, генерируемых высоковольтными наносекундными разрядами в довольно плотных молекулярных газах (0.04-1 Тор) при многократных перенапряжениях. Впервые выполнена прямая регистрация пучков ускоренных ионов, генерируемых высоковольтными наносекундными разрядами, которые демонстрируют ту же характерную упорядоченную структуру. В связи с обнаружением структуры пучков ионов становятся дискуссионными механизмы формирования полосатой структуры электронных пучков, предполагающие регулярное распределение эктонов. Измерены характерные временные параметры импульсов ускоренных электронов и ионов.

ВВЕДЕНИЕ

Высоковольтные наносекундные разряды в плотных газовых средах при многократных перенапряжениях развиваются в режиме генерации интенсивных потоков убегающих электронов [1]. Высоковольтные наносекундные разряды в дейтерии при давлениях 0.01-5 Тор генерируют в размещенной на катоде мишени, содержащей тритий, наносекундные импульсы нейтронов [2, 3]. Максимальный выход нейтронов 106 нейтро-нов/имп. зарегистрирован при давлении дейтерия Р = 0.3 Тор [3]. Генерация нейтронов свидетельствует об ускорении ионов дейтерия и Б+ до энергий, обеспечивающих значительную эффективность реакций ядерного синтеза в мишени. Например, максимум сечения реакции 1Н3 (1с(2, о«1) 2Не4 достигается при энергии дейтронов 109 кэВ. Поскольку зависимость выхода нейтронов от давления дейтерия обладает сильно выраженным максимумом, то генерация пучков ускоренных ионов является газоразрядным эффектом [2]. Ядерный синтез есть процесс второго порядка малости относительно генерации газовой плазмы и ускорения ионов. Следовательно, ускорение ионов до существенно меньших энергий, где синтез неэффективен, реализуется в области значительно больших давлений [2].

В [4, 5] обнаружена сложная пространственная структура пучков электронов, генерируемых высоковольтными наносекундными разрядами в высоком вакууме. Автографы пучков за анодом, образованные высокоэнергетической частью спек-

тра электронов, представляли собой систему упорядоченных полос, что свидетельствует об участии процессов самоорганизации в формировании пучков. Регулярная структура пучков связывалась с формированием упорядоченного распределения центров взрывной электронной эмиссии (эктонов [6]) на катоде вследствие неустойчивости Рэлея - Тейлора (Rayleigh - Taylor) слоя взрывной плазмы на поверхности катода [4] или с подавлением эмиссии в некоторой окрестности уже существующего эктона [5].

В настоящей работе сообщается о наблюдении той же упорядоченной структуры пучков электронов, генерируемых высоковольтными наносекундными разрядами в довольно плотных газах при больших перенапряжениях. Впервые выполнена прямая регистрация пучков ускоренных ионов, генерируемых высоковольтными наносекундными разрядами в плотных газах, автографы которых демонстрируют ту же характерную упорядоченную структуру. Изучение поперечной структуры потоков ионов в разряде дает информацию о распределении их плотности на тритие-вой мишени, что необходимо для ее эффективного использования, а также позволяет сделать выводы о механизме формирования пучков ионов. Измерены временные параметры разрядов.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Исследовались разряды в дейтерии и в воздухе. Разряды осуществлялись в диоде, в котором высоковольтным электродом являлся цилиндр диа-

метром 7 мм, изготовленный из танталовой фольги толщиной 50 мкм, ортогональный плоскому заземленному электроду. Межэлектродное расстояние С менялось от 2 до 9 мм. На диод подавались импульсы напряжения с амплитудой около 800 кВ, длительностью фронта 1 нс и полной длительностью 30 нс. Источником высокого напряжения служил высоковольтный блок ускорителя МИН-1 (запасаемая энергия 10 Дж) с разрядни-ком-обострителем [3]. При давлениях Р = 0.05-0.5 Тор на диоде реализуются импульсы напряжения 800-400 кВ, соответствующие многократным перенапряжениям, поскольку в исследуемой области газоразрядного параметра Рё статическое напряжение пробоя не превышает 20 кВ. В высоковольтной стадии газового разряда через диод протекают импульсы тока с амплитудой 2-4 кА, длительностью фронта ~1.0 нс и полной длительностью 15-20 нс. С увеличением давления газа амплитуда тока растет, длительности тока и напряжения уменьшаются. При давлениях выше 0.5 Тор реализуется колебательный режим протекания тока, когда на осциллограммах тока наблюдаются затухающие колебания, свидетельствующие о развитии пробоя, т.е. формировании плазменного канала с высокой проводимостью. Выход нейтронов при разрядах в дейтерии с три-тиевой мишенью - катодом резко падает.

Газовые разряды, развивающиеся в условиях высоких перенапряжений, характеризуются большой скоростью ионизационных процессов. Для измерения запаздывания газоразрядного тока относительно импульса напряжения сигналы тока и напряжения одновременно подавались на вход осциллографа кабелями разной длины. Временная задержка кабелей определялась подачей одного реперного сигнала на оба кабеля. В качестве репера использовался сигнал от импульса напряжения на диоде. В режиме генерации нейтронов, когда давление дейтерия равнялось 0.3 Тор, запаздывание максимума тока относительно максимума напряжения составляет ~1.0 нс. Длительность фронта тока ~1.0 нс. Таким образом, уже через 2 нс после появления напряжения в диоде протекают килоамперные токи. Согласно этим данным нижний предел скорости распространения ионизации в газовом промежутке оценивается величиной 108 см/с.

Генерация нейтронов высоковольтным нано-секундным разрядом в дейтерии сопровождается интенсивным рентгеновским излучением, которое генерируется в аноде в результате торможения убегающих электронов, ускоренных в разрядном промежутке. С целью определения момента генерации нейтронов относительно начала генерации рентгеновского излучения регистрация излучений проводилась одним детектором - фотоэлектронным умножителем СНФТ-3. Использование сцинтиллятора РОРОР диаметром 170 мм и

у п

Рис. 1. Осциллограммы импульсов рентгеновского

излучения (у) и нейтронов (и) на пролётных базах 112

(вверху) и 227 см. Разряды в дейтерии при Р = 0.3 Тор.

Период меток времени 10 нс.

высотой 60 мм позволило увеличить чувствительность и провести измерения осциллографом СРГ-6 на пролетных базах 112 и 227 см. Разделение во времени сигналов от рентгеновского излучения (у) и нейтронов (и) осуществлялось за счет разновременности прихода на детектор рентгеновских фотонов (скорость vY = с = 3 х 1010 см/с) и нейтронов (скорость vn = 5.2 х 109 см/с). На рис. 1 приведены осциллограммы рентгеновского и нейтронного импульсов, зарегистрированные на двух пролётных базах. Обработка 20 осциллограмм показала, что существует разновременность в начале генерации рентгеновского излучения и О-Г-нейтронов: оказалось, что временной интервал между у и и-импульсами не соответствует величине, вычисленной по времени пролета в предположении одновременной генерации нейтронов и фотонов. Начало генерации нейтронов запаздывает на 2-3 нс относительно рентгеновского излучения. Это может быть обусловлено временем прохождения ионами дейтерия межэлектродного промежутка в диоде.

Пучки электронов и ионов регистрировались дозиметрической пленкой ЦВИД-0.1-1 с массовой толщиной 10 мг/см2.

При исследовании структуры пучков электронов плёнка располагалась за плоским заземлённым анодом, изготовленным из алюминиевой фольги толщиной А = 15 мкм. Импульс напряжения подавался на цилиндрический фольговый катод. На рис. 2 приведены автографы электронного пучка при разрядах в дейтерии, зарегистрированные за один импульс при давлении дейтерия Р = 0.3 Тор и межэлектродном расстоянии С = 2.5 мм. Четыре дозиметрические пленки помещались стопкой за анодом. По мере прохождения через пленки пучок ослабляется, так что в каждой по-

й = 2.5 мм

й = 5 мм

Рис. 2. Автографы электронных пучков, генерируемых разрядами в дейтерии при Р = 0.3 Тор и d = 2.5 мм. Катод - фольговый цилиндр.

следующей пленке регистрируется его часть, состоящая из электронов больших энергий. Фильтрация пленками позволила выявить тонкую пространственно-энергетическую структуру пучка, которая оказалась резко неоднородной: наблюдаются "полосы", перпендикулярные кромке цилиндрического катода, сходящиеся к его центру, где плотность пучка настолько велика, что пленка локально плавится. При слабой фильтрации диаметр автографа приблизительно в два раза превосходит диаметр катода. Наиболее отчетливо структура пучка проявилась на четвертой пленке после фильтрации предыдущими пленками электронов низких энергий, подверженных сильному рассеянию в веществе и действию поля пространственных зарядов, в силу чего изначальная структура в области низких энергий размывается. Четвертую пленку достигают электроны с энергией, превышающей 150 кэВ [7]. Размер автографа пучка этих электронов незначительно превышает диаметр катода.

Структура ионных пучков исследовалась в диоде, в котором высоковольтным электродом-анодом являлся фольговый цилиндр. В случае катода, изготовленного из алюминиевой фольги толщиной 10 мкм, получить автографы ионных пучков на пленке, помещенной за катодом, не удалось даже за сотню импульсов из-за сильного поглощения ионов дейтерия в фольге. Использование катода из никелевой сетки толщиной 4 мкм и шагом 18 мкм позволило провести регистрацию за несколько десятков импульсов. На рис. 3 приведены автографы ионных пучков при давлении дейтерия 0.3 Тор, полученные за 20 импульсов при межэлектродном расстоянии d = 2.5 мм и за 35 импульсов при d = 5 мм. Автографы пучков ионов, генерируемых разрядами в дейтерии, такж

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»