Obtaining of high-power electron beams in a plasma anode electron beam source powered by Marx generator with matched loa.pdf Введение К числу важных задач при разработке мощных электронных источников со взрывоэмиссионным катодом с энергией пучка ~ 1 кДж и более с поперечным сечением ~ 100-1000 см2 и токами ~ 1-10 кА микросекундной длительности относится обеспечение близких к постоянным в течение импульса ускоряющих напряжений на межэлектродном промежутке катод - анод, предотвращение пробоев межэлектродного промежутка. Причинами спада напряжения и формирования пробоев является рост проводимости меж- электродного промежутка в процессе заполнения катодной и образующейся под действием пучка анодной плазмой, а также разряд конденсаторов генератора Маркса, используемого в качестве источника питания. Уменьшение скорости поступления плазмы в межэлектродный промежуток достигается за счет уменьшении токов эмиттеров и плотности тока на аноде [1, 2], что, однако, ведет к снижению мощности генерируемого электронного пучка. Близкую к прямоугольной форму импульса напряжения получают при использовании промежуточных накопителей энергии в виде формирующих линий, а также срезающих разрядников, подключаемых параллельно нагрузке, обеспечивающих укорочение спадающей части импульса. Получаемая при этом длительность электронных пучков невелика и составляет ~ 0.1-1 мкс [3, 4]. Известно, что в источнике с плазменным анодом влияние катодной плазмы на проводимость межэлектродного промежутка уменьшается. Формирование пучка происходит в двойном слое между катодной и инжектированной анодной плазмой, при этом величина тока определяется концентрацией инжектированной плазмы [5]. В [6] продемонстрирована возможность получения микросекундных электронных пучков в электронном источнике с плазменным анодом при квазипостоянных ускоряющих напряжениях и токах с питанием от генератора Маркса со ступенями в виде искусственных длинных линий. Недостатком источника являлось отличие получаемых импульсов от прямоугольных при работе генератора на несогласованную нагрузку за счет отражений в виде «хвостов», появляющихся в результате поступления к нагрузке импульсов, отраженных от свободных концов линий. Появление отражений приводит к удлинению импульса, способствует поддержанию тока дуги при формировании пробоев межэлектродного промежутка. В этой связи в настоящей работе выполнены эксперименты по генерации мощных микросекундных электронных пучков с высоким энергозапасом в электронном источнике с плазменным анодом при квазпостоянных ускоряющих напряжениях с включением в схему генератора Маркса согласованных нагрузок. Ранее было показано, что использование в схеме генератора Маркса со ступенями в виде искусственных длинных линий согласованных нагрузок обеспечивает возможность получения прямоугольных импульсов напряжения на произвольной постоянной резистивной нагрузке [7, 8]. В случае изменяющейся со временем резистивной нагрузки форма импульса отличается от прямоугольной, однако длительность импульса сохраняется и может изменяться в диапазоне от τ до 2τ, где τ - электрическая длина линий. Предполагалось, что применение для питания электронного источника в настоящей работе генератора такого типа позволит устранить появление отраженных импульсов и, тем самым, затруднит формирование в межэлектродном промежутке сильноточного дугового разряда. В результате проведенных исследований продемонстрирована возможность реализации квазистационарных режимов работы электронного источника с квазипостоянными значениями ускоряющего напряжения и тока в отсутствие пробоев межэлектродного промежутка, сопровождающихся протеканием значительных токов дуги. В случаях зажигания в межэлектродном промежутке дугового разряда в конце импульса наблюдалось ограничение и прекращение тока в цепи по истечении времени τ, обеспечиваемое применением согласованных нагрузок. Обнаружено вращение пучка при движении в ведущем магнитном поле. Опробована возможность вывода электронного пучка через фольговое окно в атмосферу. Устройство установки и результаты экспериментов Электронный источник собирался в двух модификациях с двумя вариантами взрывоэмиссионного катода и плазменного анода (рис. 1), обеспечивающих получение пучков круглого или прямоугольного поперечного сечения ~ 100-200 см2. Использовались круглый и прямоугольный многоострийные катоды соответственно с близкими к кругу или прямоугольнику областями расположения эмиттеров. Эмиттерами служили острия из медной проволоки диаметром 0.2 мм. Число острий в круглом и прямоугольном катодах составляло соответственно 100 и 50. Эмиттеры размещались в полости катода, обращенной к аноду. Длинная ось прямоугольного катода располагалась горизонтально. Для защиты от пробоев острые края катодов закрывались экраном или закруглялись до радиуса ~ 15-20 мм. Глубина погружения вершин эмиттеров в полость катода составляла ~ 10-20 мм. Рис. 1. Схема электронного источника: 1 - эмиттеры; 2 - экран; 3 - анод; 4 - плазменные пушки; 5 - коллектор; 6 - катушки магнитного поля; 7 - патрубок; 8 - решетка Инжекцию плазмы для образования плазменного анода производили с помощью 4-8 плазменных пушек с разрядом по поверхности диэлектрика. При использовании круглого катода и формирования соответственно близкого к цилиндрическому электронного пучка торцы пушек размещались по окружности тонкостенного цилиндра из нержавеющей стали диаметром 100 мм, высотой 125-180 мм, являющегося анодом. В случае прямоугольного катода плазму инжектировали в отрезок трубы прямоугольного сечения 180×90 мм2 и высотой до 150 мм. В отдельных случаях с прямоугольным катодом использовали цилиндрический анод, что позволяло сопоставить положение автографа электронного пучка после прохождения пространства дрейфа с положением катода. Инжекцию плазмы производили по радиусам в направлении оси вакуумной камеры. Для вывода электронного пучка в атмосферу электронный источник снабжался патрубком в виде раструба с фланцем и размещенной на нем опорной решеткой, закрытой алюмомагниевой фольгой АМГ-2н толщиной 30 мкм. Поперечное сечение выводного окна 115×225 мм2. Геометрическая прозрачность решетки ~ 80 %. Формирование пучка осуществлялось при наложении на межэлектродный промежуток, область плазменного анода и дрейфовое пространство продольного магнитного поля. Использовалось слабонарастающее по направлению от катода к аноду и убывающее за анодом магнитное поле с индукцией в области анода ~ 300-600 Гс. Использовался вариант генератора Маркса с одним блоком разрядников, состоящий из шести ступеней, собранных на основе искусственных длинных линий [7]. Волновое сопротивление ступени-линии 4.2 Ом, электрическая длина ~ 5 мкс, волновое сопротивление генератора ρ ~ 25 Ом. Генератор с воздушной изоляцией собран в виде колонны, размеры колонны 1280×950×310 мм. Генератор имеет шесть согласованных нагрузок. Каждая из нагрузок присоединяется одним концом к линии, а другим - к электроду соответствующего разрядника. Полное подключение согласованных нагрузок к линиям осуществляется при пробое разрядников в процессе срабатывания генератора. Зарядное напряжение генератора до 50 кВ. Генератор обеспечивает получение высоковольтных прямоугольных импульсов без отражений до 200-225 кВ на произвольной постоянной резистивной нагрузке R ~ (2-3) ρ в режиме однократных импульсов. Выполнены измерения напряжения на межэлектродном промежутке, тока коллектора электронного пучка, полного тока, поступающего от генератора Маркса. Получены данные о структуре и энергии электронного пучка в электронном источнике, а также за выводной фольгой. Для измерения тока и регистрации структуры пучка использовались коллекторы диаметром 180 мм с размещенными на них листами винипроза, закрытыми алюминиевой фольгой толщиной 20 мкм, устанавливаемые за плазменными пушками или перед выводным окном электронного источника на оси камеры. Для измерения тока и получения автографов выведенного пучка использовался коллектор с размерами 110×220 мм и листы винипроза, размещаемые за фольгой при атмосферном давлении. Оценку энергии пучка, а также энергии, поступающей в электронный источник от генератора Маркса, получали в результате интегрирования зависимостей мощности от времени, рассчитываемых из зарегистрированных осциллограмм напряжения на межэлектродном промежутке и токов коллектора и генератора Маркса. Измерения энергии выведенного за фольгу электронного пучка производили с помощью восьми калориметров ТПИ-2М, объединенных в блок с суммарной площадью приемной поверхности 120×240 мм2. Эксперименты показали, что при оптимальных режимах работы плазменных пушек (числе пушек, токах, длительности импульса, времени включения пушек относительно срабатывания генератора) возможен квазистационарный режим работы электронного источника с круглым катодом с близкой к прямоугольной формой импульсов ускоряющего напряжения и тока. При зарядном напряжении генератора 40-45 кВ, запаздывании включения пушек относительно включения генератора 3-8 мкс в электронном источнике получены электронные пучки с энергией электронов до 200 кэВ, током до 1-1.5 кА, поперечным сечением ~ 100 см2, длительностью на полувысоте 5 мкс, соответствующей электрической длине линий (рис. 2, а). Ограничение длительности импульса временем пробега волны по линии в условиях значительного рассогласования генератора с нагрузкой (ρ ~ 25 Ом, R ~ 100-200 Ом) свидетельствует об эффективности применения согласованных нагрузок для устранения отраженных импульсов, подтверждает правильность выбора схемы установки. Рассчитанные из осциллограмм значения энергии пучка составляют ~ 1.2-1.3 кДж. При использовании прямоугольного катода режим работы источника менее устойчив, увеличивается скорость роста тока коллектора и полного тока, рассчитанные значения энергии пучка уменьшаются до ~ 1 кДж (рис. 2, б), при значительном ~ 3-4 мкс и более запаздывании срабатывания генератора относительно пушек появляются пробои на стенки вакуумной камеры. Из осциллограммы (рис. 2, б) видно, что к моменту t ~ 6 мкс после срабатывания генератора ускоряющее напряжение обращается в нуль, при этом ток в межэлектродном промежутке не прекращается, что может указывать на горение в межэлектродном промежутке дугового разряда. Дальнейшего продолжительного роста или протекания тока не происходит в связи с отсутствием отраженных импульсов, приход которых к межэлектродному промежутку мог бы обеспечить протекание тока. Рис. 2. Осциллограммы ускоряющего напряжения U, тока плазменных пушек Ig, тока коллектора Ic, полного тока генератора Маркса It и рассчитанные из них зависимости энергии пучка, поступающего на коллектор, Ес и полной энергии Еt, поступающей в электронный источник с круглым (а) и прямоугольным (б) катодами от времени. Зарядное напряжение генератора 45 кВ. Масштабы по вертикали 50 кВ/дел., 0.5 кА/дел., 0.1 кДж/дел. Для удобства графики зависимостей Ес(t) и Еt(t) на рисунках смещены вниз от нулевой линии Зарегистрировано вращение пучка вокруг оси в процессе движения вдоль вакуумной камеры. На рис. 3, а показан автограф пучка, отбираемого с горизонтально расположенного прямоугольного катода на листе винипроза после прохождения области формирования пучка и плазменного анода. Виден поворот пучка вокруг оси на угол ~ 20° по часовой стрелке. Наложенное внешнее магнитное поле направлено от анода к катоду. Изменение направления тока в катушках магнитного поля приводит к изменению направления вращения пучка. На рис. 3, б приведен автограф пучка, выведенного за анодную фольгу, полученный после поворота катода приблизительно на 20° против часовой стрелки (если смотреть в направлении по ходу пучка). Поперечное сечение пучка составляет ~ 100-200 см2. Рис. 3. Автографы пучка, эмитируемого с установленного горизонтально прямоугольного катода на листе винипроза, размещенном за плазменным анодом в 5 см от плазменных пушек (а), и пучка, выведенного за фольгу, за 5 последовательных импульсов после поворота катода против часовой стрелки на 20° (б) Выведенный за фольгу ток электронного пучка, отбираемого с повернутого на 20° прямоугольного катода, мал и составляет ~ 200-300 А (рис. 4). Оцененные из осциллограмм значения энергии пучка, поступившей на коллектор (без вычета потерь энергии при прохождении фольги), составляет ~ 130-160 Дж. Значения энергии электронного пучка, выведенного за фольгу, измеренные с помощью калориметров, составляют ~ 150- 200 Дж/имп. Результаты согласуются в пределах погрешности измерений. Вероятной причиной получения малых значений тока и энергии электронного пучка, выведенного в атмосферу, является вращение пучка, приводящее к увеличению потерь тока пучка и энергии электронов при прохождении выводного окна в фольге и на ребрах решетки. Рис. 4. Осциллограммы ускоряющего напряжения U, тока плазменных пушек Ig, тока коллектора электронного пучка, выведенного в атмосферу Ic, полного тока It с рассчитанными зависимостями энергии пучка Ес и поступившей в электронный источник энергии от генератора Маркса Еt от времени. Зарядное напряжение генератора 40 кВ. Масштабы по вертикали 50 кВ/дел., 0.5 кА/дел., 0.1 кДж/дел. Графики зависимостей Ес(t) и Еt(t) перемещены вниз от нулевой линии Заключение В электронном источнике со взрывоэмиссионным катодом и плазменным анодом реализованы квазистационарные режимы протекания тока пучка с квазипостоянным ускоряющим напряжением при питании электронного источника от генератора Маркса со ступенями в виде искусственных длинных линий с согласованными нагрузками. Использование генератора с согласованными нагрузками препятствует развитию дугового разряда благодаря отсутствию отраженных импульсов. При ускоряющем напряжении 200 кВ получены электронные пучки круглого и прямоугольного поперечного сечения ~ 100-200 cм2 с током 1-1.5 кА, длительностью 5 мкс. Реализован вывод электронного пучка с энергией до 200 Дж/имп. через фольговое окно в атмосферу.

Скачать электронную версию публикации