Cumulation of a high-current electron beam at nanosecond high-volyage discharge in a low-pressure diode.pdf Введение Явление кумуляции релятивистских электронных пучков (РЭП) известно давно [1]. Данный эффект наблюдался при токах, превышающих ток Альфвена: IА = 17β∙γ, где β = υ/c; γ = 1/(1 - β2)1/2 - релятивистский фактор; υ - скорость электронов пучка; c - скорость света. В экспериментах с РЭП токи пучка обычно составляли 100-200 кA и значительно превышали ток Альфвена (~ 20 кA). Было установлено, что пучок фокусируется собственным магнитным полем, при этом важную роль играет плазма, образующаяся в катод-анодном промежутке [1]. С другой стороны, известно, что неоднородности плотности тока в условиях вакуумного пробоя приводят к эрозии анода при токах менее 500 A [2, 3]. В последние годы возрос интерес к изучению филаментации и самофокусировки электронных пучков в вакуумных и газовых диодах при сравнительно малых токах ускорителей электронов (~ 1 кА) [4-9]. Особенностью таких экспериментов является то, что токи в ускорителях были значительно меньше тока Альфвена. Однако в ряде работ при длительности импульсов напряжения в десятки-сотни наносекунд наблюдалось появление отверстий в толстых фольгах [6, 9]. При длительности импульса напряжения в единицы наносекунд исследования самофокусировки электронных пучков проводились ранее только для газовых диодах с давлениями сотни-тысячи паскалей [4, 9]. В этих условиях существенного повреждения фольги не наблюдалось. Цель данной работы - исследовать влияние давления воздуха на кумуляцию электронного пучка при длительности импульса напряжения единицы наносекунд и определить условия, при которых наблюдается максимальное повреждение фольги. Экспериментальная аппаратура и методики измерений При проведении экспериментов использовался высоковольтный импульсный генератор РАДАН-220 [10], к которому был подключен газовый диод. Конструкция газоразрядной камеры и схема регистрации электрических параметров разряда приведены на рис. 1. Генератор формировал импульсы напряжения отрицательной полярности амплитудой в падающей волне примерно до 120 кВ, длительностью на полувысоте на согласованной нагрузке и длительностью фронта импульса соответственно  2 и  0.5 нс. Энергозапас формирующей линии генератора составлял  2 Дж. Импульс напряжения подавался от генератора на электроды газоразрядной камеры посредством передающей линии 1. Разряд возбуждался в промежутке между потенциальным катодом 3, выполненным в виде полой трубки с внешним диаметром 4 мм, и заземленным плоским анодом 4. Трубка из нержавеющей стали была изготовлена из фольги толщиной 100 мкм. В качестве анода использовались медная или алюминиевая фольги толщиной от 20 до 100 мкм. Длина межэлектродного промежутка варьировалась от 1 до 5 мм. Разряд зажигался в воздухе при давлении от 105 до 3 Па. Откачка камеры и измерение остаточного давления воздуха осуществлялись соответственно форвакуумным насосом 2НВР и вакуумметром ВО в диапазоне давлений от 105 до 100 Па, а также преобразователем манометрическим термопарным ПМТ-4М при давлении ниже 100 Па. Рис. 1. Конструкция газоразрядной камеры и схема регистрации электрических пара¬метров разряда: 1 - передающая линия генератора РАДАН-220; 2 - изолятор; 3 - катод; 4 - анод; 5 - емкостной делитель напряжения; 6 - чип-резисторы токового шунта; 7 - коллектор; 8 - осциллограф; 9 - боковое окно из кварца Для регистрации электрических параметров разряда использовались емкостной делитель напряжения 5, а также токовый шунт 6, изготовленный на основе низкоиндуктивных чип-резисторов с типоразмером 1206. Временной ход тока пучка убегающих электронов за плоскостью анода 4, генерируемых в разрядном промежутке, регистрировался коллектором 7 с диаметром приемной части 20 мм. Временное разрешение данного коллектора составляло  80 пс. Для регистрации электрических импульсов использовались радиочастотные кабели 5D-FB и разъемы N-типа, высоковольтные аттенюаторы Barth Electronics 142-NM, а также осциллограф KeySight DSO-X6004A с полосой пропускания до 6 ГГц и частотой дискретизации до 20 ГС/с. Внешний вид разряда регистрировался через боковое окно 9 фотоаппаратом Sony A 100. Результаты и их обсуждение Исследование кумуляции электронов пучка было исследовано в широком диапазоне давлений остаточного воздуха в разрядной камере от 105 до 3 Па и при изменении длины межэлектродного промежутка от 1 до 5 мм. Наиболее явно эффект кумуляции электронов пучка проявлялся при давлении  5 Па и межэлектродном расстоянии 2.75 мм. При этом на поверхности заземленного анода, выполненного из алюминиевой фольги толщиной 20 мкм, после 2-3 импульсов появлялось сквозное отверстие (рис. 2). Интегральная фотография разряда при данных условиях приведена на рис. 3. Диаметр отверстия увеличивался по мере роста числа импульсов и после 100 импульсов разряда составлял  1.5 мм. Увеличение толщины фольги, а также использование медной фольги вместо алюминиевой при той же толщине приводило к увеличению числа импульсов, необходимых для появления отверстия. Так, в медной фольге толщиной 50 мкм при оптимальных условиях кумуляции электронов пучка для появления сквозного отверстия требовалось более 70 импульсов. Уменьшение толщины фольги, появление сквозного отверстия в месте попадания пучка электронов на ее поверхность и увеличение диаметра отверстия при увеличении числа импульсов приводят к изменению амплитуды и временной формы импульса тока пучка, регистрируемого коллектором за плоскостью фольги. Рис. 2. Внешний вид разрядного промежутка: 1 - катод; 2 - анод, выполненный из алюминиевой фольги толщиной 20 мкм; 3 - стрелка указывает на сквозное отверстие в фольге диаметром  1 мм, образовавшееся в результате 3 импульсов разряда. Длина межэлектродного промежутка 2.75 мм; остаточное давление воздуха в камере  5 Па Рис. 3. Внешний вид разряда. Условия эксперимента соответствуют условиям рис. 2 Рис. 4. Осциллограммы импульсов: а - напряжения с емкостного делителя напряжения U, тока разряда ID и тока пучка убегающих электронов IB, зарегистрированного за алюминиевой фольгой толщиной 50 мкм для первых 5 импульсов разряда; б - тока пучка IB после первых 5 (кр. 1), 25 (кр. 2) и 50 (кр. 3) импульсов разряда. Длина межэлектродного промежутка 2.75 мм; давление воздуха в камере  5 Па На рис. 4, а приведены импульсы напряжения, тока разряда и тока пучка, зарегистрированные при установке анода из алюминиевой фольги толщиной 50 мкм для первых 5 импульсов. По мере увеличения числа импульсов амплитуда и временной ход импульса тока пучка, регистрируемого коллектором, изменяются (рис. 4, б). Амплитуда импульса тока пучка по мере увеличения числа импульсов и соответственно уменьшения толщины фольги в месте попадания пучка электронов и последующего появления открытого отверстия монотонно увеличивается, что указывает на существенное ослабление пучка электронов при его прохождении через металл фольги. В то же время увеличение длительности импульса тока пучка с ростом числа импульсов разряда свидетельствует об уменьшении энергии электронов на стадии спада тока разряда. Так, условия регистрации тока пучка, соответствующие кривым 1, 2 и 3 на рис. 4, б, отличаются только состоянием поверхности фольги на участке попадания пучка электронов: кривая 1 соответствует исходному состоянию поверхности, а кривые 2 и 3 - прохождению части пучка электронов через слой металла меньшей толщины, а оставшейся части пучка - через сквозное отверстие. Как следует из вида кривых, при прохождении электронов пучка через фольгу исходной толщины длительность импульса тока пучка составляет по основанию  4 нс, а при появлении отверстия в фольге -  8 нс. Из этого следует, что энергия электронов пучка второй части импульса недостаточна для прохождения фольги исходной толщины. Отметим, что осциллограммы импульсов напряжения и тока разряда не зависели от числа импульсов ускорителя и разрушения фольги. Полученные результаты можно объяснить самофокусировкой пучка электронов, которая усиливается в определённом диапазоне давлений остаточного газа за счёт положительных ионов, нарабатываемых убегающими электронами в разрядном промежутке. Также для достижения порога самофокусировки важным является эмиссия электронов с катодных пятен, что приводит к увеличению плотности тока пучка в локальных областях. Катодные пятна хорошо видны через окно на торце ускорителя при замене фольги на сетку. Выводы В настоящей работе проведено экспериментальное исследование эффекта кумуляции сильноточного электронного пучка в высоковольтном наносекундном разряде в воздухе при давлении от 105 до 3 Па в разрядном промежутке с геометрией трубчатый катод - заземленный плоский анод и межэлектродным расстоянием от 1 до 4 мм. Установлено, что эффект кумуляции пучка наиболее явно проявлялся при давлении воздуха 5 Па и межэлектродном расстоянии 2.75 мм. На поверхности алюминиевой фольги толщиной 20 мкм в месте попадания пучка электронов на фольгу образовывалось сквозное отверстие. Его диаметр достигал 1.5 мм после 100 импульсов разряда. С высоким (до 80 пс) временным разрешением зарегистрированы импульсы тока пучка при прохождении электронов через алюминиевую фольгу исходной толщины, а также при уменьшении ее толщины и формировании в ней сквозного отверстия. Полученные результаты указывают на генерацию в данных условиях пучка электронов с длительностью, примерно равной длительности тока разряда. Однако энергия электронов первой части импульса тока пучка существенно выше энергии электронов второй части импульса.

Скачать электронную версию публикации