СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПУЧКОВ БЫСТРЫХ ЭЛЕКТРОНОВ, ИОНОВ, АТОМОВ, А ТАКЖЕ УФ И РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, ОЗОНА И/ИЛИ ДРУГИХ ХИМИЧЕСКИ АКТИВНЫХ МОЛЕКУЛ В ПЛОТНЫХ ГАЗАХ Российский патент 2006 года по МПК H01J37/06 

Изобретение относится к области генерирования пучков заряженных частиц с энергией до сотен кэВ с сопутствующим коротковолновым излучением и может быть использовано для радиационной обработки и стерилизации объектов, возбуждения активных сред и химических реакций, для проведения спектроскопических и диагностических измерений и т.п. в квантовой электронике, плазмохимии, медицинской, пищевой и др. отраслях промышленности, для предпродажной подготовки или подготовки к длительному хранению продуктов питания, а также для дезактивации микроорганизмов в быту, в медицинских учреждениях, в службах быта, в военных подразделениях и в условиях чрезвычайных ситуаций.

Известны способы получения пучков электронов, ускоренных до энергий от единиц до сотен кэВ в объемных наносекундных газовых разрядах с давлением от 10 Па до атмосферного [1-35]. Во всех случаях генерация быстрых (убегающих) электронов (с энергиями выше соответствующих максимуму ионизационных потерь в данном газе - обычно выше 150 эВ) происходит в газонаполненном промежутке между электродами, расположенными на расстоянии d друг от друга в режиме высоких перенапряжений (разрядное напряжение U на промежутке обычно в 5÷12 раз превышает напряжение статического пробоя Us). При этом в промежутке есть одна область сильного поля, где выполняется условие для убегания электронов, то есть где величина приведенной напряженности электрического поля превосходит некоторое определенное, постоянное для каждого газа пороговое значение (E/N)_cr (см. [1]). При достаточно низких давлениях газа (обычно до сотен Па) такой областью является достаточно короткий межэлектродный промежуток, в котором ускорение электронов может происходить даже при длительности импульса приложенного напряжения в десятки, сотни нс и более. Это связано с тем, что режим разряда определяется совокупностью электронных лавин, которые на коротком межэлектродном промежутке не достигают критического размера и разряд не переходит в канальную (стримерную) стадию даже при длинных импульсах прикладываемого напряжения. При дальнейшем увеличении давления газа среднее электрическое поле в межэлектродном промежутке становится резко неоднородным и имеет наибольшее значение вблизи катода, где напряженность поля может превысить критическое для убегания электронов значение и где тогда происходит переход низкоэнергетических электронов разрядной плазмы в режим убегания. При этом в объемных разрядах и разрядах в длинных экранированных трубках [18] при повышении давления газа происходит резкий спад тока пучка быстрых электронов, а при дальнейшем повышении напряжения разряд переходит в стадию обычного стримера (искры) без генерации существенного количества убегающих электронов и рентгеновского излучения. При использовании наносекундных импульсов напряжения с амплитудой до сотен кВ ряду авторов удалось получить пучки убегающих электронов в плотных газах [5, 7, 19, 26-29] с одиночных катодов малой площади и со значительно меньшими токами (до 400 А), чем при низких давлениях.

Недостатками известных способов получения пучков убегающих электронов являются:

1. Низкая эффективность (отношение энергии быстрых электронов в импульсе к общей энергии разрядного импульса) генерации пучка быстрых электронов в таком разряде, что проявляется либо в низкой средней энергии электронов в пучке по сравнению с приложенным напряжением (5÷8 кэВ при приложенных 140 кВ), либо в невысоком токе пучка быстрых электронов относительно тока разряда (1÷100 А против 1÷10 кА).

2. Используемые режимы работы разрядов с напряжениями в сотни кВ практически не позволяют управлять основными параметрами пучка быстрых электронов, поскольку попытки поднять напряжение или увеличить длительность импульса напряжения (или использовать для генерации пучка стандартные относительно дешевые генераторы высоковольтных импульсов с фронтом 3-10 нс) приводят к переходу разряда в искровую форму без генерации существенного количества быстрых электронов в пучке.

Это обусловлено законами развития разрядов в сильно перенапряженных промежутках. Между тем для многих приложений требуется задание энергии или тока электронов в пучке, их изменение без полного изменения параметров системы, задание разных форм и размеров разрядной области, а также задание и изменение сорта и давления газовой смеси, в которой происходит генерация электронного (ионного, атомного) пучка.

3. Не удается получить генерацию электронов субрелятивистских энергий в одноэлектродных высоковольтных разрядах (типа униполярной короны), применение которых в ряде приложений предпочтительнее, чем применение двух- или многоэлектродных систем.

4. При использовании известных режимов работы наносекундных разрядов в плотных газах для генерации рентгеновского излучения с энергиями квантов 50÷150 кэВ (применяемыми в медицине, дефектоскопии и рентгеновском контроле грузов) получены импульсы с энергией на уровне нДж [4], что на много порядков ниже получаемых в вакуумных рентгеновских трубках. До настоящего времени не сформулировано достаточно общего описания режима разряда, который бы определял необходимые соотношения между параметрами источника питания, системы электродов и газовой смеси, обеспечивающие генерацию убегающих электронов в плотных газах в объемных и поверхностных разрядах при различных давлениях газов и различных приложенных напряжениях.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ [25, 26], по которому пучок электронов субрелятивистских энергий генерируется в воздухе и других газах с давлением до атмосферного в системе электродов металлический выпуклый полусферический катод с сеткой на его поверхности - сеточный анод (оптимальное расстояние между электродами d=(1÷1.5) см) при перенапряжении промежутка не менее 10÷12 раз и использовании двух лавсановых барьеров, один из которых расположен вплотную к аноду, а другой на расстоянии 0.2d от катода.

Недостатками способа по прототипу являются следующие.

1. В способе по прототипу для получения пучка быстрых электронов в плотных газах оптимальные перенапряжения составляют не ниже 10 (рекомендуются еще более высокие), следовательно для промежутков длиной несколько см требуются напряжения источника питания на 500÷1000 кВ при фронте 3÷5 нс, что технически представляется достаточно сложной задачей, особенно для импульсно-периодического режима работы разряда с частотой более 100 Гц (наиболее оптимальной для широкого круга приложений), и серийно такие источники питания не выпускаются.

2. Использование источника питания со скоростью нарастания напряжения более 10¹⁴ В/с и параметров электродов, рекомендуемых способом по прототипу, приводит к генерации убегающих электронов в плотных газах только на самой начальной стадии разряда, который затем переходит в канальную стадию (в которой нет генерации электронного пучка), так что эффективность генерации убегающих электронов не превышает нескольких процентов.

3. Положение диэлектрического барьера относительно катода на расстоянии 0.2d никак не связано с параметрами источника питания, составом и давлением газа, что при изменении указанных параметров зачастую ведет к пробою диэлектрического барьера искровым разрядом, следующим за стадией генерации убегающих электронов в газах с давлением порядка атмосферного.

Техническим результатом, на достижение которого направлено данное изобретение, является генерация быстрых электронов в одноэлектродном коронном разряде, повышение эффективности генерации пучка быстрых электронов в плотных газах в разрядах объемного типа, комбинированных с поверхностным разрядом или разрядом в диэлектрических трубках (каналах), повышение амплитуды тока пучка как в межэлектродном промежутке, так и в заанодном пространстве, повышение и управление плотностью мощности рентгеновского, УФ и фиолетового излучения из разряда, а также получение озона и/или других химически активных или возбужденных молекул в плотных газах в разряде с убегающими электронами.

Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным способом получения пучка быстрых электронов в плотном газе, заключающимся в том, что на межэлектродный промежуток катод - анод подают напряжение в 10 и более раз превышающее статическое пробойное напряжение с достаточно крутым фронтом нарастания, в отличие от известного способа в предлагаемом способе скорость нарастания импульса высоковольтного потенциала V_U=(d/U₀)· (dU/dt)≈2U/τ_U, подаваемого на высоковольтный электрод, выбирают такой, чтобы выполнялось условие

или, что по сути то же самое

означающее, что вблизи высоковольтного электрода (в области размером Δ˜τ_U·V_n) за время порядка τ_U успеет сформироваться первичная зона генерации убегающих электронов, из которой последние вылетают во внешнюю зону с более низким электрическим потенциалом, даже если какие-либо другие электроды вблизи высоковольтного электрода отсутствуют.

Здесь τ_U - длительность импульса высоковольтного потенциала U, которая либо известна и тогда необходимо определить максимальное значение Е=U/d, либо известна Е и тогда необходимо определить τ_U, при которых в разряде будут генерироваться убегающие электроны и т.д.;

τ_d - время развития стримерного разряда в данных условиях, τ_d=d/V_n,

U₀ - амплитуда импульса высоковольтного потенциала;

V_n - скорость движения фронта волны ионизации газа медленными (плазменными) электронами, рассчитываемая по уравнениям теории стримерного пробоя газа;

Е_cr - напряженность электрического поля, при которой электроны в данном газе могут приобрести достаточную для «убегания» энергию - известная из литературы константа для каждого газа;

Е - средняя напряженность электрического поля на масштабе изменения потенциала порядка d;

d - характерный размер межэлектродного промежутка или характерный радиус кривизны поля вблизи одиночного высоковольтного электрода.

Таким образом, нами описано условие существования разряда с убегающими электронами в плотных газах давлением до атмосферного и выше, которое является новым и существенным. Суть этого явления состоит в том, что для генерации электронов в газе (не только в коронном разряде, но и в объемном, и в скользящем по поверхности разрядах) важным является не столько амплитуда импульса подаваемого на высоковольтный электрод потенциала, сколько степень превышения скорости его нарастания V_U (определяющей нарастание концентрации электронов в приэлектродной области Δ) по отношению к скорости движения фронта ионизации V_n (определяющей снижение концентрации заряженных частиц из-за «расплывания» этой области), а также длительность импульса U, поскольку среднее поле в промежутке должно успеть снизиться до того, как успеет развиться катодный стример и разряд перейдет в канальную стадию. При этом получается, что если к электроду (электродам) прикладывают высоковольтный потенциал U с достаточно высокой скоростью нарастания V_U, обеспечивающей автоволновой характер движения фронта волны ионизации быстрыми электронами по внешней зоне (одноэлектродный разряд) или по межэлектродному промежутку (многоэлектродный разряд), то при достаточно низком значении Е (достаточно большом d, определяющем достаточно малую величину V_n˜E (в продольном поле) и достаточно большую величину τ_d˜d/V_n) за время τ_U≈d/V_U (меньшее τ_d) в некоторой приэлектродной области (области генерации убегающих электронов), имеющей размер Δ (в направлении среднего электрического поля) порядка размера зоны ионизации (для коронного разряда) и существенно меньший длины межэлектродного промежутка d (для объемного и скользящего по поверхности диэлектрика разрядов, а также для разрядов в экранированной и неэкранированной диэлектрической трубке или в разряде, являющемся комбинацией из вышеперечисленных), вблизи одного или нескольких электродов осуществляется пространственно-временная локализация фронта волны ионизации газа.

Двойной слой заряженных частиц этого фронта обеспечивает,

во-первых, ускорение (в направлении катода или диэлектрика, по которому распространяется разряд) ионов и быстрых атомов (получаемых, в основном, при резонансной перезарядке ионов в плотных газах) с формированием пучка быстрых ионов и атомов в зоне ионизации вблизи катода или диэлектрика (выбивающих из них достаточное для начала разряда число электронов) и проникновением его в область за катод или за диэлектрик, если катод или диэлектрик имеют отверстия.

Во-вторых, образованная вблизи катода зона ионизации (размером Δ) может ускоренно перемещаться в виде автоволны вдоль поверхности диэлектрика до его границы с анодом или с газовым объемом, в котором расположен анод. В последнем случае разряд, начавшийся как скользящий по поверхности диэлектрика либо как разряд в диэлектрической трубке, продолжается до анода в виде объемного разряда или коронного биполярного разряда с убегающими электронами, плотность тока и энергия которых в таком разряде может быть повышена по сравнению с объемным разрядом без диэлектрических поверхностей.

В-третьих, в области размером Δ на время порядка τ_U происходит нарастание напряженности электрического поля выше критического для убегания электронов значения, после чего в основном разрядном объеме проходит волна ионизации (и, при определенных условиях, «встречная» волна ионизации от другого электрода, компенсирующая образованный первой волной пространственный положительный заряд), ускоряющая и/или лавинно размножающая убегающие электроны и электроны ионизационного каскада в среднем поле, искаженном объемным зарядом положительных ионов, и формируется пучок (пучки) быстрых электронов (пролетающих, в частности, за анод из металлической сетки или достаточно тонкой фольги).

При торможении сформированного пучка быстрых электронов электрическим полем положительных ионов, нейтральными частицами газа, элементами конструкции разрядной области (включая, например, антикатод из тяжелого металла) и/или дополнительным внешним электрическим полем генерируется тормозное и характеристическое рентгеновское излучение, а также - коротковолновое оптическое (обычно УФ и фиолетовое) излучение (за счет, в основном, возбуждения тяжелых частиц газа электронами ионизационного каскада, ускоренными средним электрическим полем разряда) и различные химически активные соединения (такие как озон или окислы азота в воздухе) при взаимодействии электронов ионизационного каскада с молекулами (атомами) газа.

В наиболее общем виде указанный выше новый режим работы высоковольтного разряда в плотных газах может быть описан условием типа

где E_n - характерное значение напряженности электрического поля в области фронта волны ионизации;

N - концентрация нейтральных частиц газовой смеси в рассматриваемой области электрического поля (по закону Клапейрона - Менделеева N = p/(kT), р - давление газа, k - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура газа);

(E/N)_cr=E_cr/N - критическое значение напряженности электрического поля, приведенное к единичной концентрации газа.

Условие (1), таким образом, описывает режим разряда, в котором еще одним новым и существенным отличием от известных режимов разряда является возможность создания не только прикатодной области генерации убегающих электронов, но и прианодной области, и, вообще говоря, любого количества приэлектродных областей (в том числе для электродов, находящихся под плавающим потенциалом), в которых может происходить генерация убегающих электронов, вызванная достаточно быстрым нарастанием разности потенциалов между этим электродом и положительным объемным зарядом, сформированном в газе первичным пучком убегающих электронов, генерирующимся в прикатодной области. Указанные разности потенциалов существуют достаточно короткое время, чтобы разряд не успевал перейти в канальную стадию и основная энергия такого режима разряда идет на генерацию быстрых электронов, их размножение во внешней зоне или их ускорение в межэлектродном промежутке в среднем поле, искаженном влиянием поля положительных ионов, образованных в газе по следу прохождения пучка первичных убегающих электронов. При этом условием ускорения первичных электронов или электронов ионизационного каскада с энергией ε является неравенство

где e - заряд электрона;

F(ε)=d∈/dx - известные удельные потери энергии электронов с энергией ε в газе. Для первичных электронов пучка обычно ε≈0.7 eU₀.

Следовательно, в режиме разряда (1) напряженность среднего поля Е≪Е_cr, к достижению которого стремятся все известные способы генерации убегающих электронов в газе.

Таким образом, отсюда следует третье существенное отличие заявляемого способа от известных, заключающееся в том, что среднее поле в объемном типе разряда может быть во много раз меньше, чем в известных режимах и, следовательно, либо можно использовать меньшие напряжения разряда, либо получать разряд в промежутках с существенно большими размерами при тех же напряжениях источника питания. В частности, отодвигая анод достаточно далеко от катода, мы получаем коронный разряд с убегающими электронами.

Проведем оценку максимальной амплитуды импульса напряжения длительностью 1 нс, которое можно приложить к промежутку для генерации быстрых убегающих электронов в плотном газе без перехода разряда в искровую стадию.

Зная род рабочего газа, его давление и температуру (то есть зная N из закона Клапейрона-Менделеева), константу (E/N)_cr (наиболее последовательно и точно вычисление этой константы для различных газов описано в монографии [40] или в ссылке [1]), а также скорость V_n (наиболее последовательно и точно задача вычисления скорости движения фронта волны ионизации при стримерном пробое газа описана в монографии [4] или в ссылке [18]) из неравенства

можно определить либо максимальную длительность τ_U импульса напряжения при заданной амплитуде напряжения U, либо максимальную амплитуду напряжения при заданной τ_U, при которых в рассматриваемом плотном газе будут генерироваться быстрые электроны, ионы, атомы и т.д. без перехода разряда в искровую стадию.

Приведенных выше ссылок на общедоступные источники вполне достаточно, чтобы на компьютере или графически по экспериментальным данным вычислить V_n и N, по которым определить U и τ_U, удовлетворяющие условиям (1).

Однако для большей убедительности приведем простейший вариант расчета максимального U при заданной τ_U, не требующий построения графиков или компьютерного расчета.

Наиболее простые формулы для V_n могут быть взяты, например, из таких общедоступных источников, как [42], где приведена формула для скорости волн вторичного пробоя, которая описывает и скорость распространения ионизационной волны V_n в условиях предионизации газа убегающими электронами

где α - первый коэффициент Таунсенда, μ_e - подвижность электронов в поле приложенного потенциала U, К - численный коэффициент, определяемый структурой ионизационной волны, который для интересующих нас оценок можно полагать равным 1. В формуле (1B) величины α и μ_e можно взять из учебников и справочников по физике низкотемпературной плазмы, например из [43]. Для вычисления этих величин можно использовать как приведенные в [7] экспериментальные данные, так и аналитические полуэмпирические или эмпирические зависимости, в частности формулу

где р - давление газа.

Для наиболее важного в практическом плане случая - воздуха при нормальных условиях (атмосферное давление и комнатная температура) - как следует из приведенных выше общедоступных источников, А·р=11400 см^-1, В·р=2.774·10⁵ В/см, а μ_e(U) при интересующих нас Е>0.1·Е_cr можно приближенно считать постоянной и равной 370 см²/В·с). Тогда, переписав неравенство (1) в виде

и проведя элементарные преобразования, получим (при τ_U=1 нс, d=2 см)

что очень хорошо согласуется с областью начала экспоненциального роста (80 кВ/ 1 нс = 8·10¹³ В/с) экспериментальной кривой зависимости амплитуды тока быстрых электронов от скорости нарастания напряжения на промежутке с теми же значениями параметров, полученной в нашей работе [28]. При этом найденное значение Е=78.7/2 кВ/см = 39.35 кВ/см в 6.94 раза (!) меньше, чем Е_cr=273 кВ/см. Что полностью подтверждает утверждения, сделанные в п.1 формулы изобретения.

Принципы работы режима разряда, удовлетворяющего условию (1), иллюстрируются на Фиг.1-6, где 1 - высоковольтный ввод; 2 - рабочая часть высоковольтного электрода; 3, 8 - прикатодная и прианодная зоны генерации убегающих электронов соответственно; 4, 5 - направление результирующей напряженности среднего электрического поля с учетом искажающего влияния объемного заряда положительных ионов, образующихся в газе при прохождении первичного пучка убегающих электронов; 6 - примерный профиль распределения потенциала положительно заряженных ионов в газе после прохождения первичного пучка убегающих электронов; 7 - область максимальной концентрации положительного пространственного заряда ионов, образованных после прохождения первичного пучка убегающих электронов; 9 - рабочая часть низковольтного электрода; 10 - цепь заземления низковольтного электрода, который может быть и не заземлен; 11 - вывод на осциллограф сигнала с калиброванной индуктивности коллектора тока пучка быстрых электронов; 12 - коллектор тока электронного пучка (обычно графитовый); 13 - диэлектрический экран для полного прерывания тока пучка на коллектор; 14 - основное направление движения первичного пучка быстрых электронов в разряде; 15 - основное направление движения пучка электронов, компенсирующих объемный заряд в области 7; 16 - рентгеновское излучение разряда; 17 - УФ и фиолетовое излучение разряда; 18 - быстрые ионы; 19 - быстрые атомы; 20 - озон или другие химически активные молекулы; 21 - разветвленный высоковольтный ввод; 22 - диэлектрические стенки разрядной трубки или канала в диэлектрике; 23 - антикатод с малой площадью рабочей части для создания точечного источника тормозного рентгеновского излучения; 24, 25 - диэлектрические барьеры; 26 - герметичная область для проведения химической реакции; 27 - стенки герметичной области; 28 - устройство прокачки газа; 29 - область генерации химически активных молекул; 30 - диэлектрические стенки или окна.

На Фиг.1 схематически изображены основные элементы разряда, происходящего в режиме (1). Один из основных вариантов заявляемого способа осуществляется следующим образом. Через высоковольтный ввод 1 на высоковольтный электрод 2 подается импульс напряжения (например, отрицательный) с параметрами, удовлетворяющими условию (1). В приэлектродной зоне 3 происходит пространственно-временная локализация потенциала, напряженность поля в зоне 3 очень быстро возрастает, ускоряя ионы и при их перезарядке генерируя быстрые атомы, те и другие выбивают с поверхности катода новые электроны, а также пролетают в закатодную область и могут быть использованы для различного рода применений. Нарастание градиентов концентраций заряженных частиц на фронте этой медленно расширяющейся прикатодной области 3 вызывает дальнейший рост напряженности электрического поля в ней, достигающего «надкритических» для убегания электронов значений, происходит перевод плазменных электронов в режим убегания и образуется первичный фронт ионизации газа убегающими электронами - электронный пучок 14, который может использоваться для различных применений. При этом, вообще говоря, анода 9 может не быть вовсе. В этом случае наблюдается высоковольтный коронный разряд с убегающими электронами.

Если анод 9 присутствует, то электронный пучок 14 может ускоряться в более сильном среднем поле катод-анод и проникать в заанодное пространство, когда анодом 9 является сетка или достаточно тонкая фольга. Причем, вообще говоря, анод может быть заземлен или не заземлен (в отличие от известных способов), быть составным, иметь разные размеры и форму, но в любом случае при прохождении первичного пучка убегающих электронов от катода к аноду за доли наносекунды (при атмосферном давлении газа) образуется пространственный заряд положительно заряженных ионов. Этот заряд есть потенциал, имеющий пространственное распределение типа кривой 6, который, вообще говоря, может на короткое время превратить анод 9 в катод, для которого сам будет выступать в качестве анода. При этом вблизи электрода 9 происходят те же процессы, что мы описывали выше для электрода 2, только электронный пучок, генерируемый в области 8 тормозится, в основном, с другой стороны области 7 (поле 4), нейтрализуя пространственный заряд ионов и завершая, таким образом, процесс разряда в том режиме, который описывается условием (1). Как мы уже описали выше, в плотных газах пучки убегающих электронов автоматически генерируют довольно мощное рентгеновское тормозное излучение 16, УФ и фиолетовое излучение 17, а также высокую концентрацию озона или других химически активных молекул 20.

Вообще говоря, любая система электродов, типа изображенной на Фиг.1 (называемая, в этом случае, газовым диодом), имеет эквивалентную электрическую схему в виде последовательного LC контура, в котором имеется внешний источник напряжения U. Поэтому в случае недостаточно короткой длительности τ_U импульса напряжения U источника высоковольтного питания можно, тем не менее, получить генерацию пучков ионизирующего излучения в режиме (1), если обострить напряжение (укоротить фронт импульса напряжения) на промежутке высоковольтный электрод - заземленный электрод (напряжение на электродах газового диода), например, примерно в К раз за счет выбора индуктивности L и емкости С диода (замеренных между точкой соединения высоковольтного выхода источника питания с высоковольтным электродом диода и общей точкой заземленного электрода диода и заземления источника питания) в соответствии с соотношением (L·C)≈(2τ_U/(πК))², при необходимости укорачивая затем длительность обостренного импульса напряжения до необходимой величины срезающим разрядником или т.п.

Для получения более высоких токов пучков ионизирующего излучения и химически активных молекул, а также для их генерации при недостаточно малой τ_U, ограниченной характеристиками применяемого источника высоковольтного питания, для необходимой в последнем случае задержки развития объемного стримерного разряда в соответствии с условием τ_U≤τ_d/(E_cr/E) используют комбинацию объемного разряда с разрядом по поверхности диэлектрика, либо с разрядом в диэлектрической трубке (экранированной или не экранированной) или в диэлектрическом канале, длину диэлектрической части L в которых выбирают такой, чтобы поверхностный разряд существенно увеличил концентрацию электронов в области 3 при ее движении по поверхности диэлектрика от катода до границы с газовым промежутком - в этом случае обычно L˜(2÷3)d или еще и обострил фронт волны ионизации, пришедший на границу диэлектрика с газовым объемом (что эквивалентно в данном случае укорочению τ_U), - в этом случае обычно L˜(3÷4)d. Соответствующая иллюстрация приведена на Фиг.2 а, b, с. Импульс высокого напряжения подается через ввод 1 на высоковольтный электрод 2 (23 на Фиг.2с), расположенный на поверхности диэлектрика 22, которая, вообще говоря, может иметь произвольную форму, например цилиндрическую (Фиг.2 а) или коническую (Фиг.2 b, с), а также может иметь более одного выходного отверстия. В месте контакта металл-диэлектрик-газ возникает резкая неоднородность градиента потенциала, которая затем в режиме, близком к автоволновому, движется в направлении к границе диэлектрика с газовым объемом - область 3 на Фиг.2. При этом, как обычно, скорость фронта волны ионизации (энергия плазменных электронов) и градиент концентрации заряженных частиц на фронте возрастают, что улучшает условия для генерации убегающих электронов 14 в газовом промежутке. Общий характер последующих процессов в целом тот же, что и на Фиг.1. Для увеличения площади катода при том же выходном диаметре диэлектрического канала используют коническую форму поверхности диэлектрика 22, как это показано на Фиг.2b. При этом в качестве анода может служить, например, сплошной металлический (обычно вольфрамовый) конус с радиусом закругления вершины порядка 1-2 мм, который в этом случае генерирует плотный пучок тормозного и характеристического рентгеновского излучения 16, если выходной внутренний диаметр диэлектрического канала достаточно мал. На Фиг.2с изображен вариант точечного источника рентгеновского излучателя (для медицины, дефектоскопии, систем контроля багажа и т.п.), в котором катод 2 заземлен, а положительно заряжаемый анод 23 одновременно является мишенью (с малой площадью рабочей части) для торможения пучка электронов 14 и генерации расходящегося из «точки» рентгеновского излучения 16, имеющего энергию квантов (вообще говоря, от единиц кэВ до сотен кэВ), регулируемую не столько амплитудой напряжения на электроде 23, сколько расстоянием между электродами 2 и 23, а также, как мы покажем ниже, отношением размеров поперечных сечений электродов 2 и 23.

Таким образом, четвертым новым существенным отличием заявляемого способа является его работа в режиме (1) в комбинации объемного (коронного) разряда с разрядом по поверхности диэлектрика (или разрядом в диэлектрических трубках), улучшающей параметры пучка убегающих электронов, генерируемых разрядом.

Здесь же отдельно можно отметить пятое существенное отличие заявляемого способа, заключающееся в том, что при описанном выше комбинированном разряде могут быть реализованы максимальные плотности тока первичного пучка убегающих электронов, которые в тормозящем поле объемного заряда положительных ионов (поле 5 на Фиг.1) без каких либо тормозных металлических мишеней генерируют мощный поток рентгеновского излучения с энергией квантов до сотен кэВ из области с достаточно малым размером, который во многих случаях вполне может считаться точечным источником, применяемым в настоящее время для широкого круга приложений в виде вакуумных рентгеновских трубок.

Для увеличения общего числа быстрых электронов, ионов, атомов и - в соответствующей газовой смеси - химически активных частиц, а также для увеличения мощности рентгеновского и оптического излучений, генерируемых газовым разрядом с убегающими электронами, режим разряда (1) обеспечивают одновременно для множества генерирующих быстрые электроны приэлектродных областей 3, как это показано на Фиг.3. Для этого как минимум один разрядный электрод 2 выполняют в виде металлической поверхности необходимой площади, имеющей набор неоднородностей с размерами, стремящимися к одинаковым и существенно меньшими d при отношении высоты и толщины неоднородности, стремящемуся к 10. Причем для получения максимально однородных в поперечном сечении пучков ионизирующего излучения отношение средних расстояний между максимумами неоднородностей на разных электродах делают, по возможности, близким к отношению поперечных размеров этих электродов между собой. При этом среднее расстояние между неоднородностями на меньшем электроде 9 делают не менее поперечного размера приэлектродной области, генерирующей убегающие электроны, в противном случае меньший электрод может иметь металлическую поверхность, гладкую на уровне, доступном для обычной механической шлифовки. Например, в качестве многоострийного электрода можно использовать сетку из металлической проволоки с размером ячейки от долей мм до нескольких мм, имеющих толщину проволоки, наиболее близкой к 1/10 от размера ячейки, или используют набор металлических ножовочных полотен и т.п. с соответствующими размерами неоднородностей и расстояниями между ними. На Фиг.3 показано одномерное разветвление 21 высоковольтного ввода (которое может быть, при необходимости, и двумерным при перпендикулярном повороте хотя бы одного из поколений ветвей) с одинаковой длиной ветвей и одинаковым количеством разветвлений до всех точек контакта с высоковольтным электродом. При этом высоковольтный потенциал ко всем неоднородностям одного электрода подводится одновременно с точностью до времени порядка τ_U.

Таким образом, шестым существенным отличием заявляемого способа является связанная с автоволновым характером движения фронта ионизации возможность получения многоканального и однородного диффузного разряда с электродами большой площади, что для известных способов является серьезной проблемой в плотных газах.

В том числе режим разряда (1) легко обеспечивается одновременно для множества металлических катодов, вставленных внутрь цилиндрических или конусоидальных диэлектрических трубок или каналов в диэлектрике 22 (экранированных или не экранированных, имеющих обычно длину L порядка (2÷3)d и диаметр отверстия на выходе порядка (0.1÷0.2)d), располагающихся вдоль направления приложенного внешнего электрического поля (или под острым углом к нему) и имеющих с противоположной от катодов (выходной) стороны трубок (каналов) один общий анод или набор анодов, расположенных в том же газе на характерном расстоянии порядка d от выходного конца трубок (каналов), как это показано на Фиг.4. Причем для получения максимально однородных в поперечном сечении пучков ионизирующего излучения расстояние между осями диэлектрических трубок (каналов) делают, по возможности, минимальным, а для получения максимальной плотности мощности ионизирующего излучения в районе анода последний делают минимально возможной площади и обычно полусферической формы, а направление трубок (каналов) выбирают так, чтобы выходные отверстия трубок (каналов) были направлены (сконцентрированы) на центр анода и находились примерно на одном расстоянии от него, причем высоковольтный потенциал ко всем трубкам (каналам) подводят одновременно с точностью до времени порядка τ_U, для чего используют, например, одномерные или двумерные разветвления высоковольтного ввода 21 с одинаковой длиной ветвей и одинаковым количеством разветвлений до всех катодов.

Все перечисленные выше частные случаи осуществления заявляемого способа генерации пучков ионизирующих излучений и химически активных газов могут с успехом применяться для широкого круга приложений, в которых убегающие электроны используются, в основном, внутри межэлектродного промежутка, например, для инициации разряда в лазере на плотном газе или возбуждения его активной среды или для стерилизации воздуха и других газовых смесей разрядом с убегающими электронами. Однако амплитуда тока электронного пучка в заанодном пространстве, где обычно ее измеряют с помощью каких-либо коллекторов тока, при этом может быть даже почти нулевой, поскольку электроны первичного пучка тормозятся в поле 5 объемного заряда 6. Если необходимо увеличить ток убегающих электронов в заанодное пространство, можно попытаться просто приблизить анод 9 к катоду 2. При этом, однако, уменьшится область разряда (что не всегда приемлемо), изменится энергия убегающих электронов, а разряд потеряет управляемость, т.к. может оказаться нарушенным условие (1) и разряд перейдет в неэффективную канальную форму. Увеличение плотности тока убегающих электронов в межэлектродном промежутке и заанодном пространстве более целесообразно осуществлять другим, нетривиальным, образом, показанным на Фиг.2. Этот частный случай осуществления заявляемого способа основан на компенсации возможного спада объемного заряда положительных ионов 6 (образующихся в следе прохождения первичного пучка убегающих электронов 14 по газу и приводящего к обратному току электронов 15 в газе в случае, когда площадь катода меньше или одного порядка с площадью анода) за счет выбора геометрии электродов 2 и 9 такой, чтобы по направлению от катода 2 к аноду 9 общее поперечное сечение пучков быстрых электронов постоянно и достаточно существенно уменьшалось, для чего, например, выбирают соответствующее соотношение размеров и/или формы анода и катода (например, как это показано на Фиг.2, или, например, при использовании геометрии электродов сферического, цилиндрического и т.п. типов), а также расстояния d между ними, либо используют для постепенного сужения пучка быстрых электронов соответствующую конфигурацию внешнего продольного магнитного поля с увеличивающейся по направлению к аноду напряженностью.

Таким образом, седьмым новым и существенным отличием заявляемого способа является возможность регулирования плотности тока и энергии быстрых электронов в межэлектродном промежутке и в заанодном пространстве за счет использования концентрации (постепенного сужения) электронного пучка по направлению к аноду, полностью компенсирующей влияние спада распределения потенциала 6 положительных ионов в газе.

При недостаточно малой τ_U, ограниченной характеристиками используемого источника высоковольтного питания, для необходимой в этом случае задержки развития стримерного объемного разряда увеличивают τ_d в соответствии с условием τ_U≤τ_d/(Е_cr/E), в межэлектродном промежутке устанавливают (как показано на Фиг.5) либо два диэлектрических барьера 24 и 25 (пропускающих практически без поглощения достаточно высокоэнергетичные убегающие электроны и поглощающие практически полностью медленные электроны) - один вплотную к аноду 25, а второй - 24 - на расстоянии порядка (1÷2)· Δ от катода, либо - один более толстый барьер 25 на расстоянии d более 2·Δ от катода, на обратной стороне которого нанесена или прикреплена анодная сетка. Барьер 25, расположенный вплотную к аноду, препятствует появлению зоны 8 и прорастанию стримера от анода к катоду по каналу, ионизованному первичным пучком быстрых электронов. Барьер 24 задерживает расширение зоны 3 в сторону анода, увеличивая время для повышения напряженности поля в зоне 3 до «надкритических» значений.

Таким образом, восьмым существенным отличием заявляемого способа является указание места расположения диэлектрических барьеров 24 и 25, связанное с величиной Δ˜τ_U·V_n, определяемой как родом и давлением газа, так и видом разряда, а также величинами τ_U, d и U₀. При этом величина τ_U задана источником питания, а V_n легко оценить по известным формулам [36].

При недостаточно короткой длительности τ_U для выполнения условия (1) может быть использован также частный случай заявляемого способа, отличающийся тем, что заземленный электрод (располагающийся на расстоянии d от высоковольтного) отсоединяют от земли, оставляя его под плавающим потенциалом, а на расстоянии D от него располагают дополнительный электрод, который заземляют, причем расстояние D и форму дополнительного электрода (иногда также и форму электрода под плавающим потенциалом и соответствующих изоляторов) выбирают такими, чтобы при приложении напряжения U к высоковольтному электроду сначала произошел разряд между заземленным дополнительным электродом и электродом с плавающим потенциалом, в отличие от [37] обостряющий и укорачивающий потенциал между высоковольтным электродом и электродом под плавающим потенциалом до необходимой величины τ_U, при которой уже затем этот потенциал позволяет осуществить разряд, удовлетворяющий условию (1).

В ряде приложений может оказаться полезным частный случай заявляемого способа, отличающийся тем, что для управления пучком (пучками) быстрых электронов в разрядном промежутке устанавливают дополнительно несколько заземленных или находящихся под плавающим потенциалом электродов и диэлектрических барьеров, обеспечивающих последовательное ускорение и/или поворот пучков быстрых электронов, генерируемых первоначально в одной из приэлектродных областей разряда.

Девятым существенным отличием (в том числе и от способа [31]) заявляемого способа может быть частный случай, отличающийся тем, что с целью увеличения длительности и плотности тока электронного пучка дополнительные электроды делают с использованием газонепроницаемых пленок и/или фольг и располагают их так, чтобы можно было поддерживать разное давление газа в различных секциях межэлектродного пространства, обеспечивая тем самым оптимальные условия для генерации быстрых электронов в одном из таких промежутков и усиление тока пучка быстрых электронов за счет лавинного размножения электронов в газе в следующем (следующих) промежутке (промежутках).

В ряде приложений может оказаться полезным частный случай осуществления заявляемого способа, подобный вышеизложенному, но отличающийся тем, что спектр энергии и плотность тока электронов, генерируемых (размножаемых) в газонаполненном межэлектродном промежутке, может изменяться при необходимости непрерывно или периодически путем изменения состава и давления газовой смеси, заключенной в герметично отделенной секции указанного межэлектродного промежутка, оптимизируя таким образом, указанные выше параметры пучка для более эффективного того или иного его применения. Этот частный случай основан на экспериментальных данных [19], демонстрирующих зависимость спектра энергии убегающих электронов в объемном разряде от сорта и давления газа при тех же параметрах источника питания.

Тот же технический результат - регулирование спектра энергий быстрых электронов, получаемых в межэлектродном промежутке или в заанодной области разряда, - может быть получен также при использовании уже упоминавшихся выше диэлектрических барьеров (хотя бы частично прозрачных для убегающих электронов с достаточно большой энергией), но имеющих различную поглощающую способность и устанавливаемых в тех областях разрядного промежутка, в которых требуется регулировать спектр энергий убегающих электронов.

Для увеличения мгновенной мощности рентгеновского излучения, выходящего за пределы зоны разряда максимально изотропно (точечный источник рентгеновского излучения), может быть применен частный случай реализации заявляемого способа, отличающийся тем, что пучок быстрых электронов генерируют с максимально возможной площади катода и направляют на металлический антикатод меньшего размера (обычно с размером рабочей части 1÷2 мм, примерно как показано на Фиг.2b), а для изменения энергии квантов (длины волны) рентгеновского излучения от антикатода наряду с изменением амплитуды прикладываемого напряжения (что возможно, очевидно, в пределах, ограниченных областью существования данного разряда с учетом нелинейного влияния напряжения на ток электронного пучка, следовательно, на мощность рентгеновского излучения) используют изменение расстояния катод-антикатод или степени концентрации пучка быстрых электронов на этом расстоянии (что, как правило, много проще, чем изменение напряжения в разрядном промежутке), а также размещение в межэлектродном промежутке прозрачных для достаточно высокоэнергетичных убегающих электронов диэлектрических барьеров, меняющих энергию быстрых электронов в пучке, а соответственно, распределение энергии квантов тормозного излучения на антикатоде.

Другим частным случаем заявляемого способа, используемым для увеличения мгновенной мощности рентгеновского излучения, выходящего за пределы зоны разряда, является случай, иллюстрируемый Фиг.2а, отличающийся тем, что генерируют два или более встречных пучков 14 и 15 быстрых электронов, один из которых 14 имеет начало на катоде с площадью одного порядка или меньшей, чем площадь анодов, с которых начинаются другие пучки 15, причем все пучки сходятся в области положительного пространственного заряда, который генерируется первым пучком 14 в межэлектродном промежутке, а для изменения энергии квантов (длины волны) рентгеновского излучения (образуемого в процессе торможения пучков электронов в электрическом поле в области спада пространственного распределения 6 положительных ионов в межэлектродном промежутке) наряду с изменением амплитуды прикладываемого напряжения (что возможно, очевидно, в пределах, ограниченных областью существования данного разряда с учетом нелинейного влияния напряжения на ток электронного пучка, следовательно, на мощность рентгеновского излучения) используют изменение расстояния катод-анод или степени концентрации пучка быстрых электронов на этом расстоянии (что, как правило, много проще, чем изменение напряжения в разрядном промежутке), а также размещение в межэлектродном промежутке прозрачных для достаточно высокоэнергетичных убегающих электронов диэлектрических барьеров, меняющих энергию быстрых электронов в пучке, а соответственно, распределение энергии квантов тормозного излучения в межэлектродном промежутке.

Для создания высокой концентрации озона, окислов азота или других химически активных или возбужденных атомов или молекул в каком-либо замкнутом газовом объеме 26, показанном на Фиг.6 (например, для возбуждения лазеров на агрессивных эксимерных средах, или для получения высокой и управляемой концентрации химически активных газов в замкнутых объемах проведения соответствующих химических реакций, имеющих, в общем случае, в этом замкнутом объеме состав газов, отличный от состава газа в остальном межэлектродном промежутке), хотя бы часть 29 указанного замкнутого объема, имеющую стенки (окна) 30 из диэлектрической пленки, частично прозрачной для достаточно высокоэнергетичных электронов, помещают в межэлектродный интервал 2-9 разряда, удовлетворяющего условию (1), с помощью быстрых электронов разряда генерируют внутри этой части газового объема соответствующие химически активные или возбужденные молекулы 20 до создания необходимых концентраций в импульсно-периодическом режиме и, при необходимости, прокачивают с помощью системы прокачки 28 газовую смесь из области 29, расположенной внутри межэлектродного промежутка, в остальную область 26 замкнутого газового объема, причем все конструктивные элементы высоковольтного генератора 1, 2, 9, 10 находятся вне зоны действия химически активных или агрессивных газов.

Таким образом, десятым новым и существенным отличием заявляемого способа является возможность эффективно генерировать с помощью разряда с режимом работы, определяемым условием (1), химически активные или возбужденные атомы или молекулы в химически агрессивных газах без непосредственного контакта конструктивных элементов разряда с этими газами.

Частной разновидностью заявляемого способа, эффективной для генерации химически активных или возбужденных атомов или молекул в газовом объеме с доступом через малое (по сравнению с размерами анода) входное отверстие или расположенном за окном из диэлектрической пленки (металлической фольги), хотя бы частично прозрачной для электронов с достаточно высокой энергией, является разряд с режимом типа (1), высоковольтный (в случае одноэлектродного коронного разряда) или низковольтный электрод которого располагают в воздухе в максимальной близости от входного отверстия или окна упомянутого выше газового объема и производят серию импульсов разряда для создания и поддержания необходимой концентрации химически активных или возбужденных атомов и молекул в этом газовом объеме за счет убегающих электронов, УФ и рентгеновского излучения, проникающего через входное отверстие или окно.

Реализация заявляемого способа осуществлялась с использованием импульсных источников высоковольтного напряжения на базе трех основных схем формирования импульсов с напряжением порядка 100÷300 кВ, а именно, на базе а) емкостного накопителя по схеме генератора Маркса с обострительным конденсатором, газовым разрядником и формирующей линией [25, 26] (U₀ до 300 кВ, длительность переднего фронта импульса напряжения на активной нагрузке τ_FU=3 нс, длительность τ_U импульса U на полувысоте равна 6 нс); б) импульсного трансформатора с серийным газовым разрядником Р-49 и формирующей линией (U₀=130 кВ, τ_FU=1.2 нс, τ_U=2.5 нс, частота следования импульсов f=5 Гц); в) индуктивного накопителя энергии с размыкателями тока на базе SOS - диодов, обострительным и срезающим полупроводниковыми разрядниками [38] (U₀=150 кВ, τ_FU=0.3 нс, τ_U=2 нс, f=3 кГц). Для примера на Фиг.7 приведена принципиальная электрическая схема высоковольтной части источника питания по варианту «б», на которую от стандартного сетевого тиристорного преобразователя подается постоянное напряжение +7 кВ. Здесь 31 - набор параллельных коммутирующих разрядников, 32 - импульсный трансформатор на выходное напряжение до 150 кВ, 33 - разрядник Р-49, 34 - газовый диод, L₁ - шунтирующая индуктивность, С₁, С₂ - накопительный и обострительный конденсаторы, D₁ - диод.

Факт наличия пучка быстрых электронов (ионов) и УФ излучения фиксировался тремя разными методами: по свечению катодолюминесцентных экранов или кристаллов сапфира с титаном (для детектирования электронов расположенными за черной бумагой, картоном или алюминиевой фольгой с разной толщиной), а также по люминесцентному сигналу с кварцевого световода, для детектирования быстрых электронов закрытого черной бумагой или алюминиевой фольгой, поступающего через светофильтр (или монохроматор МДР-12) на ФЭУ, а затем на осциллограф.

Для измерения формы импульса тока быстрых электронов использовались как стандартного типа цилиндры Фарадея, так и специально разработанный индуктивный коллектор тока, показанный на Фиг.1 и состоящий из графитового коллектора 12 с приемным торцом диаметром 7.5 мм (образующего небольшую емкость коллектор-катод) и калиброванной индуктивности 11 величиной L_s=2.7 нГн (3 нГн для коллектора №2). Активное сопротивление коллектора практически равно нулю. Такой коллектор со стороны земли малоиндуктивным образом соединялся с анодом 9, а снимаемый с калиброванной индуктивности 11 сигнал U_Sθ=L_s·d(i_D+θ·i_B)/dt подавался на осциллограф Tektronix 3052 с аналоговой полосой 500 МГц и скоростью оцифровки одиночного сигнала в реальном времени 5 MS/s. Здесь i_D - ток смещения в цепи коллектора, i_В - ток быстрых электронов на торец коллектора, θ - коэффициент пропускания быстрых электронов экраном или фольгой 13, установленным за анодом 9, как показано на Фиг.1. Процесс измерений тока быстрых электронов проходил в два этапа. Сначала измерялся сигнал U_s1=L_s·d(i_D+i_B)/dt при θ=1, то есть без экрана или фольги 13. Затем в тех же условиях эксперимента сразу за анодом 9 устанавливался диэлектрический экран или металлическая фольга 13 калиброванной толщины и измерялся сигнал U_s0=L_s·di_D/dt при θ=0 (достаточно толстый экран, например, 1 мм полиэтилена). Вычитая U_s0 из U_s получаем ΔU_s=L_s·di_B/dt, интегрируя который по времени численно, поделив на L_s, получаем ток быстрых электронов на коллектор i_В(t). Примеры соответствующих осциллограмм приведены на Фиг.8, где 35 - сигнал U_s1, 36 - сигнал U_s0. Вид вычисленного тока быстрых электронов i_B(t) приведен на Фиг.9. При значениях θ между 0 и 1 (калиброванные тонкие металлические фольги) тем же образом по методу калиброванных фолы измерялась энергия электронов в пучке за анодом.

Поскольку длительность фронта тока быстрых электронов составляет порядка 1 нс, то были проведены сравнения измеренных сигналов на осциллографе Tektronix 3052 и на осциллографе Tektronix TDS - 820, имеющем аналоговую полосу пропускания 6 ГГц. Сравнения показали, что сигналы с осциллографа Tektronix 3052 имеют затянутые фронты, но искажение сигнала не превышает 10÷15%, что укладывается в пределы повторяемости экспериментальных данных, следовательно, нашим измерениям на этом осциллографе вполне можно доверять.

Поскольку при длительности фронта измеряемого сигнала порядка 1 нс стандартные цилиндры Фарадея кроме активной составляющей имеют большие индуктивные и емкостные составляющие в результирующем измеряемом падении напряжения, то интерпретация измеряемых ими сигналов является сложной задачей, связанной с решением интегродифференциального уравнения методом регуляризации. Поэтому основным измерителем тока быстрых электронов являлся описанный выше индуктивный коллектор, для которого обработка измеренного сигнала значительно проще.

На Фиг.10 приведена фотография разряда с режимом работы, удовлетворяющим условию (1), полученного в воздухе при нормальных условиях с источником питания, изображенным на Фиг.7. Здесь 37 - проходной изолятор высоковольтного ввода. Катод 2 выполнен из меди в виде конуса с закруглением вершины радиусом 2 мм. Анод 9 - латунная сетка с размером ячейки 0.7 мм. d=1.7 см. 38 - черная бумага, не пропускающая УФ и видимое излучение разряда на катодолюминесцентный экран 39. 40 - разряд с убегающими электронами (УЭ) смешанного коронного и объемного типов, 41 - разряд с УЭ чисто коронного типа, 42 - разряд с УЭ по поверхности диэлектрика. На Фиг.10 наблюдается свечение (почти белое) области 3; свечение (фиолетовое) молекул воздуха, возбуждаемых электронами ионизационного каскада, ускоряемыми в межэлектродном промежутке 40; свечение (голубое) катодолюминесцентного экрана 39, вызванное быстрыми электронами, прошедшими в заанодную область через черную бумагу 38. Катодолюминесцентный экран, помещенный в районе свечения газа от коронного разряда 41, закрытый поставленной перед ним черной бумагой или алюминиевой фольгой (10 мкм) также светится и под действием убегающих электронов из этого типа разряда. Аналогичное свечение такого экрана 39 наблюдается и при приближении его сбоку 42 к внешней окружности проходного изолятора 37, что подтверждает факт генерации быстрых электронов в разряде по поверхности диэлектрика (оргстекло) при выполнении условия (1). Уникальность картины, изображенной на Фиг.10, состоит еще и в том, что от одного источника питания одновременно стабильно работают три разных формы разряда - коронный 41, объемный 40 и по поверхности диэлектрика 42. Это может служить косвенным подтверждением автоволнового характера движения фронтов ионизации в данном режиме разряда.

Разряд с параметрами, удовлетворяющими условию (1), был получен нами также с источниками питания типа «а» и «в», описанными выше. В частности, с источником питания на генераторе Маркса при площади плоских электродов более 1000 см² перевод разряда из канальной формы в режим (1) был осуществлен нами как за счет укорочения τ_U срезающим разрядником с 7 нс до 4 нс, так и за счет уменьшения V_n, которое было достигнуто увеличением d с рекомендуемого в [25, 26] 1.0 см до 6 см. Режим разряда, удовлетворяющий условию (1), был реализован нами на том же источнике питания с генератором Маркса при использовании диэлектрической трубки диаметром 5 мм длиной диэлектрической разрядной части 12 см при d=5 см, а также при использовании двух лавсановых барьеров толщиной 100 мкм, один из которых был установлен вплотную к аноду, а второй на расстоянии 3 мм от катода (при d=5.5 см, при котором в соответствии с [25, 26] расстояние катод барьер 24 должно бы быть 1.1 см).

На Фиг.11 приведена фотография того же разряда, что и на Фиг.10, но с d=55 мм и расположением анода 9 сбоку от оси высоковольтного электрода 2. Картина аналогична биполярному коронному разряду, но с регистрацией быстрых электронов, вылетающих из межэлектродного промежутка на экран 39.

На Фиг.12 приведена фотография коронного разряда в тех же условиях, но с тремя электродами при d=45 мм от катода 2 до каждого из анодов 9. Фотографии на Фиг.11 и 12 являются неопровержимым доказательством правильности той физической модели разряда, удовлетворяющего условию (1), которую мы используем для описания основных физических процессов в нем.

На Фиг.13 приведена фотография разряда с двух проволочных (диаметр 2 мм) катодов на заземленный электрод 43 и на электрод под плавающим потенциалом 44, а также между этими электродами. При этом катодолюминесцентный экран за черной бумагой люминесцирует, что подтверждает генерацию в разряде быстрых электронов, проникающих на экран. Этот эксперимент подтверждает возможность независимой генерации быстрых электронов одновременно из нескольких приэлектродных зон типа 3, а также возможность работы разряда с незаземленными электродами и с них на заземленные электроды..

На Фиг.14 приведена фотография типичного объемного разряда с плоским латунным катодом круглого сечения диаметром 1 см при d=1.7 см. Катодолюминесцентный экран регистрирует наличие электронов за черной бумагой в заанодной области. На катоде наблюдается система прикатодных зон 3. Область положительного заряда 7 находится вблизи анода 9.

Результаты измерения тока быстрых электронов в заанодной области эксперимента Фиг.14 (источник питания «б») с помощью описанного выше индуктивного коллектора, приведенные на Фиг.8 и 9, показывают, что плотность тока в этой конфигурации разряда достигает 50 А/см², а амплитуда полного тока электронного пучка в заанодной области достигает 180 А.

При концентрации пучка убегающих электронов (УЭ) за счет выбора полусферической формы сеточных электродов, как показано на Фиг.3, с диаметром катода 5 см, а анода 0.8 см при d=5 см с тем же источником питания в воздухе при нормальных условиях получена амплитуда плотности тока УЭ за анодом, превышающая 150 А/ см², а амплитуда общего тока УЭ в заанодной области оценивается величиной более 500 А.

Еще более высокие амплитудные значения плотности тока УЭ удалось реализовать в эксперименте, выполненным по схеме типа Фиг.2а, то есть в разряде, являющемся комбинацией разряда в цилиндрической диэлектрической неэкранированной кварцевой трубке диаметром 9 мм, длиной диэлектрической разрядной части L=2d, при d=4 см. В качестве анода использовалась полусфера из латунной сетки диаметром 5 мм с размером ячеек 0.7 мм и диаметром проволоки 0.2 мм. Амплитуда плотности тока УЭ в заанодной области вблизи оси разряда достигла в этом случае величины 300 А/см².

Таким образом, экспериментальным путем подтверждена осуществимость режима разряда, описываемого условием (1) и эффективность генерации пучков УЭ в нем. При напряжениях разряда от 100 кВ до 300 кВ энергия основной массы УЭ в заанодной области, измеренная с помощью индуктивного коллектора и калиброванных фольг (по стандартному методу калиброванных фольг), составила от 70 кэВ до 250 кэВ.

Возможность генерации пучков УЭ с большой апертурой также экспериментально подтверждена. Нами, например, получен пучок УЭ в воздухе при нормальных условиях с выходной апертурой (площадь анода из латунной сетки с размером ячейки 0.7 мм) 4 см × 30 см при разряде с режимом работы (1), U₀=300 кВ, τ_FU=3 нс, τ_U=4 нс, d=1 см, катод - 19 ножовочных полотен, площадь поперечного сечения катода 6 см × 31 см. В этих условиях амплитуда плотности тока пучка составила в заанодной области более 20 А/см², а амплитуда общего тока пучка УЭ превышала 3 кА, что во много раз превышает ток пучка быстрых электронов, наблюдавшихся известными способами в объемном разряде в воздухе при нормальных условиях.

Экспериментально подтверждена и возможность генерации в воздухе атмосферного давления рентгеновского излучения с энергиями в импульсе не нДж, как в известных способах, а по крайней мере мкДж, что при частоте следования импульса 3÷5 кГц (источники питания на полупроводниковых размыкателях тока) обеспечивает стандартную для медицинских рентгеновских аппаратов дозу облучения 0.5 Р за 0.2 с. Измерения мощности дозы рентгеновского излучения разряда с режимом работы (1) проводились нами с помощью дозиметра ДРГЗ-1. При частоте следования импульсов 4 Гц были получены мощности дозы от 50 мкР/с (в схеме эксперимента, соответствующей Фиг.1) до 2 мР/с (в схеме эксперимента, соответствующей Фиг.2а). Для регистрации высоких мощностей доз рентгеновского излучения использовалась диафрагма в свинцовом экране перед приемной апертурой дозиметра с последующим суммированием измерений с различным положением диафрагмы относительно оси приемной апертуры (поскольку верхний предел измерения дозиметра был ниже необходимого).

Прямым доказательством получения рентгеновского излучения в разряде по заявляемому способу является получение рентгеновского снимка (Фиг.15) образца 45 в виде буквы Z, сделанной из медной фольги толщиной 300 мкм (близко к поглощающей способности костей грудной клетки человека), помещенной в пакет из черной бумаги, располагаемый на расстоянии 10 см от оси разряда между двумя плоскими электродами с диаметром сеточного катода 4 см и диаметром сплошного латунного анода 2 см. Для получения снимка Фиг.15 использовалось излучение от 70 импульсов разряда.

При работе разряда в режиме, определяемом условием (1), в воздухе атмосферного давления генерируется высокая концентрация молекул озона, что легко обнаруживается по его характерному запаху. Оценки концентрации озона проводились нами по изменению (после включения разряда) поглощения фиолетового излучения, проходящего через герметично запаянный пакет из полиэтиленовой пленки толщиной 50 мкм, помещенный частично между электродами, аналогично схеме эксперимента Фиг.6. Полученные оценки концентрации озона порядка 50 мг/ м³ показывают, что разряд с УЭ является очень эффективным генератором озона, вполне сравнимым по эффективности с электронными пучками из вакуумных диодов [39].

Таким образом, нами в нескольких вариантах экспериментально реализован заявляемый способ с достижением основных технических результатов, на которые он направлен, то есть с генерацией пучка быстрых электронов, ионов, атомов, рентгеновского, УФ и фиолетового излучения, а также озона и т.п. химически активных молекул.

Источники информации

1. УФН, т.107, №2, с.261, 1972

2. Доклады АН СССР, т.177, №1, с.72, 1967

3. ЖТФ,т.34, с.1530, 1969

4. ЖТФ, т.42, в.4, с.795, 1972

5. ЖТФ, т.44, в.3, с.564, 1974

6. Письма в ЖТФ, т.1, в.4, с.186, 1975

7. Известия ВУЗов. Радиофизика, т.20, №4, с.637, 1977

8. Письма в ЖТФ, т.3, в.3, с.12, 1977

9. ЖТФ, т.48, в.8, с.1617, 1978

10. Письма в ЖТФ, т.5. в.2, с.69, 1979

11. а.с. №820511 от 28.05.1979

12. а.с. №980550 от 09.08.1979

13. ЖТФ, т.51, в.9, с.1823, 1981

14. Письма в ЖТФ, т.7. в.14, с.853, 1981

15. Письма в ЖТФ, т.7, в.21, с.1315, 1981

16. Письма в ЖТФ, т.8, в.15, с.947, 1982

17. а.с. 1126128 от 02.06.1983

18. ТВТ, т.21, №3, с.577, 1983

19. ЖТФ, т.55, в.5, с.956, 1985

20. а.с. №1259884 от 17.01.1985

21. а.с. №1473658 от 1985

22. Письма в ЖТФ, т.11, в.7, с.38, 1985

23. ПТЭ, №2, с.188, 1989

24. УФН, т.160, в.7, с.49, 1990

25. ЖТФ, т.60, в.9, с.138, 1990

26. Известия ВУЗов. Физика. Деп. ВИНИТИ. №6249-В90, 14.12.1990

27. Известия ВУЗов. Физика. Деп. ВИНИТИ. №6250-В90, 14.12.1990

28. Известия ВУЗов. Физика. №2, с.7, 1992

29. Известия ВУЗов. №6, с.67, 1993

30. Письма в ЖТФ, т.19, в.18, с.21, 1993

31. а.с.№2113033 от 20.02.1997

32. Письма в ЖТФ, т.24, в.7, с.39, 1998

33. УФН, т.171, №11, с.1177, 2001

34. Доклады РАН, т.379, №5, с.606. 2001

35. Доклады РАН, т.382, №1, с.31, 2002

36. Физическая энциклопедия. Под ред. А.М.Прохорова. М.: Советская энциклопедия, 1990, с.189

37. А.с. №1799194 от 8.10.1992

38. Письма в ЖТФ, т.27, в.1, с.81, 2001

39. Химия высоких энергий, т.30, №3, с.386, 1996

40. Королев Ю.Д., Месяц Г.А. Физика импульсного пробоя газов. М.: Наука, 1991

41. Лагарьков А.Н., Руткевич И.М. Волны электрического пробоя в ограниченной плазме. М.: Наука, 1989

42. Физическая энциклопедия. Гл. редактор А.М.Прохоров. М.: Советская энциклопедия, 1990, т.2, стр.189

43. Физическая энциклопедия. Гл. редактор А.М.Прохоров. М.: Советская энциклопедия, 1990, т.2, стр.540 и т.3, стр.665

Использование: для получения пучков быстрых электронов, ионов, атомов, а также УФ и рентгеновского излучения, озона и/или других химически активных молекул в плотных газах. Сущность: заключается в том, что предлагается новый режим разряда в газе: E_n/N=U/Δ·N, где E_n - характерное значение напряженности электрического поля в приэлектродной области фронта волны ионизации газа медленными электронами; N - концентрация нейтральных частиц газовой смеси в рассматриваемой области электрического поля; U - потенциал высоковольтного электрода относительно земли или другого ближайшего электрода; Δ - размер вдоль направления среднего электрического поля области пространственно-временной локализации высоковольтного потенциала, Данный режим позволяет более эффективно генерировать убегающие электроны с энергией до сотен кэВ и токами до кА в коронном и объемном разрядах, а также разрядах по поверхности диэлектрика и их комбинациях. Технический результат: генерация быстрых электронов в одноэлектродном коронном разряде, повышение эффективности генерации пучка быстрых электронов в плотных газах в разрядах объемного типа, комбинированных с поверхностным разрядом или разрядом в диэлектрических трубках, повышение амплитуды тока пучка как в межэлектродном промежутке, так и в заанодном пространстве, повышение и управление плотностью мощности рентгеновского, УФ и фиолетового излучения из разряда, а также получение озона и/или других химически активных или возбужденных молекул в плотных газах в разряде с убегающими электронами. 15 з.п. ф-лы, 15 ил.

1. Способ получения пучков быстрых электронов, ионов, атомов, а также рентгеновского и УФ излучения, озона и/или других химически активных молекул, заключающийся в том, что импульс высокого напряжения прикладывают к системе электродов в газе давлением выше нескольких сот Па (выше 500 Па в большинстве газов), отличающийся тем, что быстрые электроны (ионы, атомы), а также УФ и рентгеновское излучение, (в некоторых газах - еще и химически активные молекулы) генерируют (как в объемном, так и в скользящем газовом разрядах, а также в разряде в газонаполненной экранированной или неэкранированной диэлектрической трубке) с системой электродов анод - катод или при наличии нескольких анодов или катодов и даже при наличии только уединенного высоковольтного электрода (униполярный коронный разряд с убегающими электронами) при средней напряженности электрического поля в межэлектродном промежутке (или вблизи уединенного высоковольтного электрода вне зоны ионизации) существенно ниже критического для генерации убегающих электронов значения, для чего режим работы импульсно-периодического газового разряда выбирают в соответствии со следующим условием

E_n - характерное значение напряженности электрического поля в приэлектродной области фронта волны ионизации;

N - концентрация нейтральных частиц газовой смеси в рассматриваемой области электрического поля;

U - потенциал высоковольтного электрода относительно земли или другого ближайшего электрода;

Δ˜τ_U·V_n - размер вдоль направления среднего электрического поля области пространственно-временной локализации высоковольтного потенциала;

τ_U˜d/V_U - длительность импульса потенциала U;

V_n - скорость движения фронта волны ионизации газа медленными (плазменными) электронами;

E=U/d - среднее поле в масштабе размера d,

V_U=(d/U₀)·(dU/dt) - скорость нарастания прикладываемого к высоковольтному электроду потенциала;

d - характерный размер межэлектродного промежутка или характерный радиус кривизны поля вблизи одиночного высоковольтного электрода;

U₀ - амплитуда импульса потенциала;

(E/N)_cr - напряженность электрического поля Е_cr, приведенная к единичной концентрации газа, при которой электроны в данном газе могут приобрести достаточную для «убегания» энергию, другими словами, прикладывают к электроду (электродам) высоковольтный потенциал U с достаточно высокой скоростью нарастания

с достаточно короткой длительностью импульса

при достаточно низком значении Е и достаточно большом d, определяющем достаточно малую величину V_n˜E (в продольном поле) и достаточно большую величину времени развития стримерного разряда в данных условиях τ_d˜d/V_n и за время τ_U˜d/V_U в некоторой приэлектродной области (области генерации убегающих электронов), имеющей размер Δ порядка размера зоны ионизации (для коронного разряда) и существенно меньший длины межэлектродного промежутка d (для объемного и скользящего по поверхности диэлектрика разрядов, а также для разрядов в экранированной и неэкранированной диэлектрической трубке или в разряде, являющемся комбинацией из вышеперечисленных), осуществляют вблизи одного или нескольких электродов пространственно-временную локализацию фронта волны ионизации газа, двойной слой заряженных частиц которого обеспечивает, во-первых, ускорение ионов и быстрых атомов (получаемых, в основном, при резонансной перезарядке ионов в плотных газах) в направлении катода или диэлектрика, по которому распространяется разряд, формирующих пучок быстрых ионов и атомов в зоне ионизации вблизи катода или диэлектрика, выбивающих из них достаточное для начала разряда число электронов и, если катод или диэлектрик имеют отверстия, проникающий в область за катод или за диэлектрик, во-вторых, ускоряющееся перемещение области размером Δ вдоль поверхности диэлектрика до его границы с анодом или с газовым объемом, по которому разряд продолжается до анода (скользящий разряд, разряд в диэлектрических трубках и их комбинации с объемным разрядом) с нарастанием концентрации и энергии электронов в этой области, а в-третьих, нарастание напряженности электрического поля выше критического для убегания электронов значения в области размером Δ на время порядка τ_U, после чего в основном разрядном объеме проходит волна ионизации (и, в некоторых условиях, «встречная» волна ионизации от другого электрода, компенсирующая образованный первой волной пространственный положительный заряд), ускоряющая и/или лавинно размножающая убегающие электроны и электроны ионизационного каскада в среднем поле, искаженном объемным зарядом положительных ионов, и формируется пучок (пучки) быстрых электронов (пролетающих, в частности, за анод из металлической сетки или достаточно тонкой фольги), при торможении которых электрическим полем положительных ионов, нейтральными частицами газа, элементами конструкции разрядной области (включая, например, антикатод из тяжелого металла) и/или дополнительным внешним электрическим полем генерируют тормозное и характеристическое рентгеновское излучение, а также коротковолновое оптическое (обычно УФ и фиолетовое) излучение (за счет, в основном, возбуждения тяжелых частиц газа электронами ионизационного каскада, ускоренными средним электрическим полем разряда) и различные химически активные соединения (такие, как озон или окислы азота в воздухе) при взаимодействии электронов ионизационного каскада с молекулами (атомами) газа.

при необходимости укорачивая затем длительность обостренного импульса напряжения до необходимой величины (3) срезающим разрядником или т.п.