ГЕНЕРАТОР СУБНАНОСЕКУНДНЫХ ПУЧКОВ ЭЛЕКТРОНОВ Российский патент 2004 года по МПК H01J33/00 H03K5/00 

Изобретение относится к области формирования и генерирования пучков заряженных частиц н может быть использовано в катодолюминесцентном анализе вещества, плазмохимии, квантовой электронике и т.д.

Известен способ получения субнаносекундных пучков высокоэнергетичных электронов в вакууме и вывода его через фольгу на основе высоковольтных импульсно-периодических генераторов субнаносекундного диапазона [1]. Конструкция таких генераторов помимо традиционных элементов включает субнаносекундный модулятор, формирующий пикосекундные импульсы напряжения. Такое конструктивное решение позволило реализовать ускорители субнаносекундных пучков электронов на основе взрывной эмиссии с холодных катодов.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является генератор электронов [2]. В данном генераторе источником напряжения является высоковольтный импульсный трансформатор, в цепи вторичной обмотки которого последовательно с камерой включен разрядник высокого давления. Разрядная емкость, образованная кожухом генератора и корпусом разрядника высокого давления, около 40 пФ, активное сопротивление, шунтирующее разрядную камеру, 200 Ом. Разрядник высокого давления выполнял функцию обострителя фронта импульса напряжения. Амплитуда импульса напряжения достигала 160-180 кВ и определялась пробивным напряжением разрядника. В качестве катодов использовались отполированные стержни из вольфрамового сплава диаметром 12-14 мм с радиусами кривизны полусферической рабочей поверхности r=3-7 мм. В отдельных экспериментах на рабочую поверхность катода наносились насечки для увеличения электрического поля у шероховатостей. Анодом служила алюминиевая фольга толщиной 8-15 мкм. Межэлектродное расстояние составляло 10-15 мм. В газонаполненном промежутке между электродами осуществлялся объемный импульсный высоковольтный разряд при давлении 10^-2-760 Торр, в котором формировался пучок убегающих электронов (УЭ). Максимальный выход электронов был получен при давлении среды 20-40 Торр. При этом пучок возникает в прикатодной области разряда. Этот тип разряда реализуется в режиме высоких перенапряжений, т.e. разрядное напряжение в промежутке во много раз превышает напряжение статического пробоя. Электрическое поле в разрядном промежутке неоднородно и значительно сильнее вблизи катода. В прикатодной области отношение напряженности поля к давлению газа Е/P сравнимо с максимумом потерь энергии. В таком поле происходит переход низкоэнергетических электронов разряди в режим убегания, в результате чего они, ускоряясь, покидают прикатодную область и происходит формирование пучка высокоэнергетическик электронов.

Недостатком прототипа является малый выход количества электронов и ограничение на время существования пучка электронов t≥2 нс.

Задачей изобретения является увеличение выхода электронов н сокращение длительности электронного пучка до субнаносекундных величин.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является формирование высокоэнэргетичных (сотни кэВ) субнаносекундных потоков электронов (t≤1 нс) плотностью тока десятки ампер на см² в газовом промежутке атмосферного давления и выше.

Технический результат достигается тем, что в генераторе субнаносекундных пучков электронов, содержащем газовый диод и генератор наносекундных импульсов с обострительным разрядником, высоковольтный вывод которого соединен с катодом газового диода, анод газового диода выполнен из фольги или сетки с плоским или с большим радиусом кривизны, чем у катода, согласно изобретению, емкостной накопитель генератора выполнен в виде короткой формирующей линии с длительностью импульса на согласованной нагрузке не более 1 нс, индуктивность разрядного контура и поверхность изолятора газового диода выполнены минимально достаточными для подаваемого на газовый диод напряжения, при этом обострительный разрядник обладает временем срабатывания менее 1 нc, а давление газа в диоде составляет 1 атмосферу или выше.

Кроме того, в генераторе пучков электронов один вывод обострительного разрядника выполнен в виде цилиндрического стакана, образуя между корпусом генератора и внешней поверхностью вывода разрядника коаксиальную линию с малым волновым сопротивлением и основным энергозапасом, а второй вывод расположен соосно первому и выполнен в виде стержня, образуя с внутренней поверхностью первого вывода вторую коаксиальную линию с большим волновым сопротивлением и заканчивающийся катодом, выполненным в виде выпуклой таблетки из графита, размещенной в металлической оправе.

На фиг.1 представлена блок-схема генератора субнаносекундных пучков высокоэнергетичных электронов.

Генератор электронных пучков включает в себя генератор наносекундных импульсов 1 с обострительным разрядником 2, высоковольтный вывод 3 которого соединен с катодом 4 газового диода. Газовый диод заполнен молекулярным или атомарным газом или газовой смесью. Анод 5 газового диода выполнен из фольги или сетки плоским или с большим радиусом кривизны. Катод 4 выполнен с радиусом кривизны, меньшим, чем анод. Емкостной накопитель генератора выполнен в виде короткой формирующей линии с длительностью импульса на согласованной нагрузке не более 1 нс индуктивность разрядного контура и поверхность изолятора 6 газового диода выполняется минимально достаточными для подаваемого на газовый диод напряжения. В генераторе установлен обострительный разрядник со временем срабатывания менее 1 нc, давление газа в диоде составляет 1 атмосфера или выше, при этом один вывод высоковольтного обострительного разрядника высокого давления выполнен в виде цилиндрического стакана 2, образуя между корпусом генератора 7 и внешней поверхностью вывода разрядника коаксиальную линию с малым волновым сопротивлением и основным энергозапасом, а второй вывод выполнен в виде стержня 3, расположенного на оси первого вывода, образующего с внутренней поверхностью первого вывода вторую коаксиальную линию с большим волновым сопротивлением и заканчивающегося катодом 4, выполненным в виде выпуклой таблетки из графита, размещенной в медной оправе.

Устройство работает следующим образом. Генератор импульсов 1 заряжает формирующию линию, образованную корпусом генератора 7 и корпусом разрядника 2, которая коммутирует разрядником через передающую линию, образуемую выводом разрядника и корпусом газового диода, импульс напряжения на газовый диод.

Формирование субнаносекундного электронного пучка осуществляется на фронте наносекундного импульса напряжения, пучок формируется между движущимся фронтом импульсного объемного разряда и анодом. При этом скорость распространения плазмы от катода определяется быстрыми электронами, возникающими у катода за счет усиления ноля на катоде и катодных пятнах.

Использование генератора импульсов, конструктивно выполненного в виде короткой формирующей линии с длительностью импульса на согласованной нагрузке не более 1 нс, выполнение индуктивности разрядного контура и поверхность изолятора газового диода минимально достаточными для подаваемого на газовый диод напряжения и использование обострительного разрядника со временем срабатывания менее 1 нс и катода, выполненного в виде выпуклой таблетки из графита, размещенной в медной оправе, позволило эффективно формировать субнаносекундный поток электронов в газовых средах атмосферного давления и выше. В этой конструкции в объемном импульсном разряде основная часть убегающих электронов при низких начальных значениях параметра Е/р~0,1 кВ/см×Торр (Е - напряженность электрического поля, р - давление газа) формируется в пространстве между плазмой, которая образовалась на катоде, и анодом. Катодная плазма с большой скоростью распространяется к аноду, при этом за счет перераспределения электрического поля в части газового диода достигается критическая величина Е/р, в том числе и вследствие геометрического фактора.

Конструкция, на которой реализован субнаносекундный электронный пучок в разряде атмосферного давления, включала генератор импульсов с волновым сопротивлением 30 Ом, напряжением на согласованной нагрузке ~200 кВ, длительностью на полувысоте ~3 нс при фронте импульса напряжения ~1 нс [3]. С этим генератором использовалась газовая камера, заполненная воздухом или азотом при давлении 760 Торр, и использовались два катода. Один катод представлял собой набор трех цилиндров из Ti фольги толщиной 50 мкм, вставленных друг в друга и закрепленных на дюралевой подложке диаметром 36 мм. Другой катод был выполнен из графита в виде таблетки диаметром 29 мм, края которой были закруглены, и обращен выпуклой стороной в сторону фольги с радиусом кривизны 10 см. Графитовый катод размещался на медном держателе диаметром 30 мм. Вывод электронного пучка осуществлялся через сетку с прозрачностью ~50% или через AlВе фольгу толщиной 45 мкм. Оптимальное расстояние анод - катод составляло 18-28 мм. Электронный пучок при давлении одной атмосферы был получен в воздухе, азоте, гелии и смеси СО₂-N₂-Не как в режиме однократных импульсов, так и с частотой повторения до 10 Гц. Амплитуда тока в воздухе составила 40 А, в Не 300 А. Для других газов также получены наибольшие токи для подобных условий в газовом диоде. Максимум на распределении электронов пучка по энергии для кольцевого катода при давлении воздуха в диоде (1 атмосфера) соответствовал энергии электронов ~(90-110) кэВ, длительность тока пучка для всех испытуемых газов была менее 1 нс. Для воздуха атмосферного давления при использовании генератора с волновым сопротивлением 20 Ом и импульсом напряжения с амплитудой до 220 кВ и длительностью на полувысоте ~2 нс, при фронте импульса напряжения ~0,3 нс была получена длительность импульса тока пучка 0,3 нс, ток 70 А, максимум распределения энергии электронов составил ~110 кэВ [4].

Источники информации, принятые во внимание.

1. Яландин М.И., Шпак В.Г. Мощные малогабаритные импульсно-периодические генераторы субнаносекундного диапазона. Приборы и техника эксперимента. 2001, №3, с.5-31. 2. Л.В.Тарасова, Л.Н.Худякова, Т.В.Лойко, В.А.Цукерман. Быстрые электроны и рентгеновское излучение наносекундных импульсных разрядов в газах при давлениях 0,1-760 Торр. Журнал технической физики. 1974, т. XLIV, в.3, с.564-568. 3. Алексеев С.Б., Орловский В.М., Тарасенко В.Ф. Пучок электронов, сформированный в газонаполненном диоде при атмосферном давлении воздуха и азота. Письма в ЖТФ. 2003, т. 29, вып.10, с.29-35. 4. Тарасенко В.Ф., Яковленко С.И., Орловский В.М., Ткачев А.И. Шупайлов С.А. Получение мощных электронных пучков в плотных газах. Письма в ЖЭТФ. 2003, т. 77, вып.11, с.737-742.

Изобретение относится к области формирования и генерирования пучков заряженных частиц и может быть использовано в катодолюминесцентном анализе вещества, плазмохимии, квантовой электронике и т.д. Генератор субнаносекундных пучков электронов, содержащий газовый диод и генератор наносекундных импульсов 1 с обострительным разрядником, высоковольтный вывод 3 которого соединен с катодом 4 газового диода. Анод 5 газового диода выполнен из фольги или сетки с плоским или с большим радиусом кривизны, чем у катода. Согласно изобретению, емкостной накопитель генератора выполнен в виде короткой формирующей линии с длительностью импульса на согласованной нагрузке не более 1 нс. Индуктивность разрядного контура и поверхность изолятора 6 газового диода выполнены минимально достаточными для подаваемого на газовый диод напряжения. При этом обострительный разрядник обладает временем срабатывания менее 1 нс, а давление газа в диоде составляет 1 атмосферу или выше. Кроме того, в генераторе пучков электронов первый вывод 2 обострительного разрядника выполнен в виде цилиндрического стакана, образуя между корпусом генератора 7 и внешней поверхностью вывода разрядника коаксиальную линию с малым волновым сопротивлением и основным энергозапасом. Второй вывод 3 расположен соосно первому и выполнен в виде стержня, образуя с внутренней поверхностью первого вывода вторую коаксиальную линию с большим волновым сопротивлением, и заканчивающийся катодом, выполненным в виде выпуклой таблетки из графита, размещенной в металлической оправе. Технический результат: формирование высокоэнергетичных (сотни кэВ) субнаносекундных потоков электронов (t≤1 нс) плотностью тока десятки ампер на см² в газовом диоде атмосферного давления и выше. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Генератор субнаносекундных пучков электронов, содержащий газовый диод и генератор наносекундных импульсов с обострительным разрядником, высоковольтный вывод которого соединен с катодом газового диода, анод газового диода выполнен из фольги или сетки с плоским или с большим радиусом кривизны, чем у катода, отличающийся тем, что емкостный накопитель генератора выполнен в виде короткой формирующей линии с длительностью импульса на согласованной нагрузке не более 1 нс, индуктивность разрядного контура и поверхность изолятора газового диода выполнены минимально достаточными для подаваемого на газовый диод напряжения, при этом обострительный разрядник обладает временем срабатывания менее 1 нс, а давление газа в диоде составляет 1 атмосферу или выше.2. Генератор субнаносекундных пучков электронов по п.1, отличающийся тем, что один вывод обострительного разрядника выполнен в виде цилиндрического стакана, образуя между корпусом генератора и внешней поверхностью вывода разрядника коаксиальную линию с малым волновым сопротивлением и основным энергозапасом, а второй вывод расположен соосно с первым и выполнен в виде стержня, образуя с внутренней поверхностью первого вывода вторую коаксиальную линию с большим волновым сопротивлением, и заканчивающийся катодом, выполненным в виде выпуклой таблетки из графита, размещенной в металлической оправе.