Источники электронов с сеточным плазменным эмиттером: прогресс и перспективы | Изв. вузов. Физика. 2020. № 10. DOI: 10.17223/00213411/63/10/7

Источники электронов с сеточным плазменным эмиттером: прогресс и перспективы

Приводится описание принципов работы и основные характеристики электронных источников на основе плазменных эмиттеров с сеточной/слоевой стабилизацией границы эмиссионной плазмы, генерируемой разрядами низкого давления. Рассматривается достигнутый уровень параметров и перспективы дальнейшего развития электронных источников, предназначенных для генерации в вакууме импульсных высокоплотных (с плотностью энергии до 100 Дж/(см2·имп.)) низкоэнергетических (5-25 кэВ, 50-500 А), высокоэнергетических сильноточных (до 100 кэВ, 1кА)) электронных пучков с энергосодержанием пучка до 5 кДж и частотно-импульсных (30 мкс, 50 с-1) электронных пучков большого сечения (1000 см2) с энергией электронов до 250 кэВ и токами до 100 А, выведенных в атмосферу через выпускное фольговое окно. Рассмотрены особенности генерации эмиссионной плазмы дуговыми разрядами низкого давления в сеточных плазменных эмиттерах и извлечения из нее электронов, особенности работы разрядной системы плазменных эмиттеров, частично погруженных в неоднородное магнитное поле, и особенности формирования и транспортировки высокоплотных низкоэнергетических электронных пучков в продольном магнитном поле. Указаны области применения электронных источников на основе сеточных плазменных эмиттеров и реализуемые с их помощью процессы и технологии.

Electron sources with a grid plasma emitter: progress and prospects.pdf Введение Электронные пучки нашли достаточно широкое применение в различных традиционных и разрабатываемых технологических процессах, реализуемых в вакууме, таких, как электронно-пучковый нагрев (в том числе сверхбыстрый), электронно-лучевая сварка и пайка, переплавка тугоплавких и химически активных металлов, генерация мощного электромагнитного излучения (от рентгеновского до СВЧ-диапазона), разогрев плазмы до высоких температур в целях управляемого термоядерного синтеза, а также в процессах, реализуемых в атмосфере или в газах повышенного давления после вывода электронных пучков из вакуума через фольговые [1] или газодинамические [2] выпускные окна, таких, как возбуждение электроионизационных лазеров и радиационно-химические процессы. В зависимости от области применения электронные пучки могут формироваться с использованием пушек на основе наиболее распространенных катодов разного типа (термо- [1, 3, 4] и взрывоэмиссионных [1, 4-9], а также плазменных эмиттеров (ПЭ) [1, 10-27]). Конечно, каждый из вышеперечисленных типов катодов имеет свои бесспорные преимущества для ряда конкретных применений. А там, где их параметры пересекаются, предпочтение отдается тем катодам, на основе которых создаются наиболее конструктивно проработанные источники электронов, обладающие устойчивостью и стабильностью работы, а также большим сроком службы. В настоящей работе рассматривается прогресс и перспективы электронных источников на основе плазменных эмиттеров с сеточной/слоевой стабилизацией границы эмиссионной плазмы так называемых сеточных плазменных эмиттеров (СПЭ). Первые экспериментальные работы по использованию СПЭ для создания источников электронов были выполнены в 70-е годы прошлого столетия под руководством профессора Ю.Е. Крейнделя [10, 23, 24]. Было показано, что мелкоструктурная металлическая сетка стабилизирует границу эмиссионной плазмы, позволяя устойчиво формировать электронные пучки при уровне ускоряющих напряжений десятки киловольт, токах в несколько ампер при длительностях импульсов десятки микросекунд. Дальнейшее увеличение параметров пучка приводило к электрическому пробою ускоряющего промежутка, ограничивая возможности электронного источника и сферу его возможных применений. Также было показано, что форма эмиссионной сетки определяет границу плазменной эмиссионной поверхности и соответственно профиль создаваемого пучка и распределение плотности тока по его сечению [10, 24]. Этим СПЭ напоминал твердотельный катод с предсказуемым распределением плотности тока пучка по его сечению. В 1986 г. вышли теоретические статьи А.В. Жаринова с коллегами [25, 26], где была обоснована роль сетки как стабилизатора формы и устойчивости плазменной эмиссионной поверхности, а также приведены критерии, выполнение которых позволит создавать электронные источники с СПЭ, надежно работающие в достаточно широком диапазоне изменения основных параметров. Важной работой, показавшей возможность эффективной и устойчивой эмиссии электронов в системе с СПЭ, следует считать статьи [13, 14], где приведены результаты по получению электронного пучка с токами до 20 А при длительности импульсов 100 мкс и ускоряющем напряжении до 200 кВ. Достигнутая эффективность извлечения электронов α, равная отношению тока пучка Ib к току разряда Id, генерирующего эмиссионную плазму (α = (Ib / Id)•100 %), приближалась к 100 %, несмотря на то, что геометрическая прозрачность эмиссионной сетки была 60 %. Этот результат продемонстрировал перспективность СПЭ для устойчивой генерации плотных (десятки А/см2) длинноимпульсных (сотни микросекунд) электронных пучков большого сечения с относительно низкой (± 10 %) неоднородностью распределения плотности тока по сечению пучка. В дальнейшем прогресс в создании источников электронов с СПЭ определялся как совершенствованием их конструкции (электродной системы, сеточного узла, ускоряющих электродов и трубы дрейфа, коллекторного узла и др.), введением и оптимизацией ведущего продольного магнитного поля, так и разработкой специализированных схем электропитания и управления, играющих важную роль для повышения параметров электронных источников в целом. Достигнутые к настоящему моменту параметры электронных источников на основе СПЭ рассмотрим на примере трех типов, обеспечивающих формирование плотных (1-100 А/см2) низкоэнергетических (до 25 кэВ), среднеэнергетических (до 100 кэВ) микро- и субмиллисекундной длительности и относительно высокоэнергетических (до 200 кэВ) частотно-импульсных (50 с-1) пучков большого сечения (до 1000 см2) длительностью до 100 мкс и плотностью тока примерно до 100 мА/см2. Эти источники электронов с СПЭ разработаны и созданы в последние годы в лаборатории плазменной эмиссионной электроники, которой многие годы руководил П.М. Щанин. Генерация и формирование плотных низкоэнергетических электронных пучков Генерация и формирование плотных низкоэнергетических электронных пучков представляет собой достаточно сложную задачу, что обусловлено необходимостью получения и транспортировки пучка с низкой энергией электронов (десятки килоэлектронвольт), но с высокой плотностью тока (десятки и сотни А/см2) и плотностью энергии пучка (десятки Дж/см2 за импульс). Решить задачу можно на основе использования основных преимуществ СПЭ и применения следующего подхода: ускорения электронов в плазмонаполненном диоде, в котором обеспечивается нейтрализация пространственного заряда пучка, а ускорение электронов производится в ускоряющем зазоре между эмиссионной поверхностью катода и подвижной границей анодной плазмы, заполняющей диод (границей плазменного анода). Под руководством П.М. Щанина такой подход был реализован в электронном источнике [20], а затем для дополнительной стабилизации пучка в пространстве его дрейфа в конструкцию разрабатываемых электронных источников было введено продольное магнитное поле [21, 22]. Впоследствии на основе этих источников был разработан электронный источник с СПЭ «СОЛО» [28], на базе различных модификаций которого был создан ряд лабораторных установок [28-30]. Структурная схема источника (рис. 1) включает СПЭ (1-12) с сеточной стабилизацией эмиссионной границы 10, область транспортировки пучка 14, в которой при прохождении пучка образуется анодная плазма, коллектор 15 и соленоиды 16, 17, создающие продольное магнитное поле величиной примерно до 0.1 Тл, расположенные вне вакуумной камеры 20. Для ускорения электронов, извлекаемых с СПЭ, используется постоянное ускоряющее напряжение до 25 кВ (18, 19), а импульсный режим получения электронного пучка достигается за счет инициирования тока основного дугового разряда, генерирующего эмиссионную плазму в СПЭ. Использование данного СПЭ имеет ряд особенностей по сравнению с работой традиционных электродных систем с полым анодом. Это связано, с одной стороны, с тем, что разрядная система работает в условиях проникновения в нее неоднородного продольного магнитного поля величиной до 0.03 Тл из области формирования и транспортировки электронного пучка. Магнитное поле может приводить к сжатию разряда и его горению на центральную часть эмиссионной сетки, что затрудняет получение электронного пучка с увеличенным начальным диаметром. С другой стороны, эксперименты по изучению транспортировки электронного пучка в неоднородном продольном магнитном поле показали, что для получения на коллекторе пучка, имеющего в центральной части относительно однородное распределение плотности тока, а соответственно и энергии по его сечению, необходимо обеспечить неоднородную начальную эмиссию с СПЭ (с минимумом в центральной части и увеличенную по краям эмиссионной сетки). Исходя из этих требований, в конструкции разрядной системы СПЭ использовали дополнительный электрод 12, перераспределяющий эмиссионную плазму вблизи эмиссионной сетки 10, что позволило управлять начальным и соответственно конечным распределением плотности энергии пучка по его сечению [31]. Рис. 1. Схема электронного источника «СОЛО» (а): 1, 11 - блоки питания инициирующего и основного разрядов; 2, 4, 6 - постоянные магниты; 3 - анод инициирующего разряда; 5 - Mg-вставка катода; 7 - канал контрагирования основного разряда; 8 - анодная вставка; 9 - анод основного разряда; 10 - эмиссионная сетка; 12 - перераспределяющий электрод; 13 - ускоряющий электрод; 14 - труба дрейфа пучка; 15 - коллектор; 16, 17 - соленоиды; 18 - емкостной накопитель; 19 - источник постоянного ускоряющего напряжения; 20 - вакуумная камера. Осциллограммы Id (кр. 2, 4) и Ib (кр. 1, 3) (б) в режиме номинального (кр. 1, 2) и максимального тока пучка (кр. 3, 4). Масштаб: 100 А/дел., 50 мкс/дел. Одним из основных факторов, ограничивающих стабильность работы электронного источника и его максимальные параметры (ток пучка, энергия электронов), являются пробои ускоряющего промежутка, связанные в основном с наличием диэлектрических загрязнений на поверхности эмиссионно-сеточного электрода и нарушением условий сеточной стабилизации поверхности эмиссионной плазмы. Особенности сеточной стабилизации в источнике «СОЛО» рассмотрены в [32, 33]. Электронный источник «СОЛО» с представленным СПЭ позволяет генерировать импульсный интенсивный (с номинальным до 300 A и максимальным 500 A током) низкоэнергетический (до 25 кэВ) электронный пучок с длительностью импульсов 20-450 мкс и регулируемым (за счет изменения магнитных полей соленоидов) диаметром (10-50 мм), получаемым на коллекторе после транспортировки пучка на расстояние 300-400 мм в продольном магнитном поле с максимальной величиной 30-100 мТл. Электронные источники серии «СОЛО» наиболее активно используются для проведения процессов модификации поверхности различных материалов импульсным электронным пучком и разработки основ технологических процессов модификации поверхности материалов не только с помощью электронного пучка, но и с применением комбинированных методов формирования поверхностных слоев с использованием оборудования для азотирования и напыления покрытий в комплексе с воздействием импульсного электронного пучка [30, 34-36]. Генерация и формирование мегаваттных плотных электронных пучков с высоким (единицы килоджоулей) энергосодержанием Задача по созданию источника электронов, способного генерировать килоамперный электронный пучок при длительности импульса более 100 мкс и ускоряющем напряжении более 50 кВ, была обусловлена идеей сотрудников Института ядерной физики СО РАН (ИЯФ СО РАН) о возможности длительного (вплоть до миллисекунд) удержания нагретой до субтермоядерных температур плотной дейтериевой плазмы в осесимметричной многопробочной ловушке «ГОЛ-3» [37, 38]. Ожидалось, что создание такого мегаваттного пучка и ввод его через магнитную пробку в предварительно нагретую плазму позволит продемонстрировать перспективы осесимметричных магнитных ловушек для управляемого термоядерного синтеза (УТС). Кроме того, мегаваттный электронный пучок с высоким (~ 1 кДж) уровнем энергии может успешно использоваться в термоядерном материаловедении для моделирования воздействия высоких плотностей энергии на тугоплавкие материалы, а также в конкретных технологических коммерческих целях для модификации поверхности материалов и изделий [34-36]. Опыт, накопленный в лаборатории плазменной эмиссионной электроники ИСЭ СО РАН, и работы, большей частью которых руководил П.М. Щанин, позволили реализовать возможность создания такого источника электронов. За основу был взят источник электронов, описанный в работе [39], который ранее работал в пакетно-импульсном режиме с амплитудой тока пучка до 700 А и энергией ускоренных электронов до 25 кэВ, для которого были разработаны новые схемы электропитания, управления и диагностики пучка. В результате был создан источник электронов с СПЭ [40] (рис. 2), который по совокупности основных параметров не имеет прямых аналогов. Рис. 2. Схема источника электронов с СПЭ (а) и расчетные значения величины магнитного поля вдоль оси транспортировки электронного пучка (б). Координата Z = 0 соответствует положению эмиссионной сетки В вакуумной камере 1 диаметром 800 мм и длиной 1000 мм на проходном высоковольтном изоляторе закреплен плазменный эмиттер 2, представляющий собой полый цилиндр из нержавеющей стали диаметром 200 мм и длиной 250 мм. На одном из торцов цилиндра по окружности диаметром 150 мм расположены шесть катодных узлов с инициированием катодного пятна разрядом по поверхности диэлектрика. Каждый катодный узел состоит из диэлектрического основания 3, на котором закреплены магниевый катод 4 и поджигающий электрод 5, разделенные коаксиальным зазором 1 мм. Магниевые катоды выполнены в виде стержня диаметром 4 мм и длиной 10 мм с аксиальным отверстием диаметром 1 мм для напуска рабочего газа в плазменный эмиттер. Внутренняя поверхность плазменного эмиттера общей площадью около 0.2 м2 играет роль общего полого анода для отдельных дуговых разрядов всех катодных узлов. Эмиссионное окно диаметром 14 см перекрыто мелкоструктурной сеткой 6 из нержавеющей стали с ячейками 0.4×0.4 мм и геометрической прозрачностью 35 %. Расстояние между эмиссионной сеткой и фланцем камеры 1 составляет 90 мм. Ускорение электронов происходит в катодном слое пространственного заряда между сеточным эмиссионным электродом 6, стабилизирующим границу катодной плазмы, и границей анодной пучковой плазмы, образующейся в процессе ионизации остаточного и рабочего газа электронами пучка в ускоряющем зазоре и пространстве дрейфа пучка. Электроны, ускоренные до энергии, соответствующей приложенному ускоряющему напряжению (10-80 кВ), поступают в трубу дрейфа 7 длиной 800 мм и диаметром 160 мм, в конце которой установлен цилиндр Фарадея с водоохлаждаемым медным конусообразным электродом 8 диаметром 100 мм, помещенным в металлический стакан 9 такого же диаметра и высотой 250 мм. Для увеличения однородности распределения плотности извлекаемого из плазменного эмиттера электронного тока и уменьшения вероятности пробоя ускоряющего промежутка на расстоянии 5 мм от каждого из катодов устанавливаются металлические токоперераспределяющие электроды 10 диаметром 15 мм, электрически соединенные с поджигающим электродом 5 [41]. С помощью данного источника электронов при начальном напряжении Ua = 80 кВ была показана принципиальная возможность генерации пучка амплитудой 1 кА и длительностью на полувысоте 100 мкс, энергосодержанием единицы килоджоулей, что позволило получить на коллекторной пластине из нержавеющей стали автограф пучка в виде оплавления поверхности диаметром около 50 мм. Дальнейшие исследования [42] такого пучка позволили установить, что изменение конфигурации ведущего магнитного поля путем уменьшения его величины вблизи коллектора приводит, вероятно, к расфокусировке электронного пучка, увеличению времени образования и уменьшению концентрации анодной плазмы, а соответственно к увеличению времени формирования плазменного канала, необходимого для генерации и транспортировки пучка. В этом случае задержку образования анодной плазмы можно было сократить увеличением давления рабочего газа, что, однако, приводило к некоторому снижению электрической прочности ускоряющего промежутка. Так, при токе через катушку № 5 I5 = 0 А и уменьшении величины магнитного поля в катушке № 4 до величины B ≈ 100 Гс при суммарном токе разряда Id = 500 А и p(Ar) = 20 мПа задержка образования анодной плазмы составляла 80 мкс (рис. 3, а). При увеличении давления до p(Ar) = 25 мПа задержка уменьшается до 30 мкс (рис. 3, б). Задержка образования анодной плазмы в этом случае также растет по мере увеличения ускоряющего напряжения, что, вероятно, связано с уменьшением сечения ионизации рабочего газа электронным пучком и снижением за счет этого концентрации пучковой (анодной) плазмы. Рис. 3. Осциллограммы токов при различных давлениях рабочего газа: а - 20 мПа, б - 25 мПа; кр. 1 - Id; кр. 2 - I0; кр. 3 - Iс; кр. 4 - It; B4 = 100 Гс, B5 = 0 Для конфигурации магнитного поля, представленной на рис. 2, б, была исследована электрическая прочность высоковольтного ускоряющего промежутка в зависимости от давления рабочего газа. Из зависимостей, снятых для различных токов разряда и представленных на рис. 4, а, видно, что максимальная величина ускоряющего напряжения достижима в достаточно узком диапазоне равном 10-20 мПа. Увеличение давления приводит к росту полного тока пучка (рис. 4, б) (как электронной, так и ионной компоненты), который ограничен возникновением пробоя ускоряющего промежутка. В работе [42] было показано, что в условиях эксперимента при длительности электронного пучка на полувысоте 100 мкс его максимально достижимое энергосодержание не превышает 4 кДж. Косвенно показано, что в источнике электронов с многодуговым плазменным катодом интенсивное газовыделение с коллектора и трубы дрейфа под действием импульсного электронного пучка является главным ограничивающим фактором дальнейшего увеличения энергосодержания генерируемого электронного пучка. Для нивелирования этого эффекта в последующих экспериментах длина трубы дрейфа с ведущим магнитным полем была увеличена до 5 м, а в области коллектора была установлена дополнительная откачка газа, что уже в предварительных экспериментах позволило повысить энергосодержание пучка до 5 кДж. Работы [40, 42] стали заделом для проведения экспериментов на установке «ГОЛ-3» [43, 44], в которых при замене электродной системы источника электронов с плазменным катодом на основе дугового разряда низкого давления с многоапертурной (с металлическим соосным анодом) на систему с СПЭ и плазменным анодом с открытой границей плазмы удалось увеличить энергосодержание пучка с 1.6 до 2.9 кДж, что однозначно свидетельствует о перспективности дальнейшего совершенствования и применения источников электронов такого типа для экспериментов по УТС. Рис. 4. Зависимости максимального ускоряющего напряжения U0 при разных токах разряда Id (а) и тока в ускоряющем промежутке I0 при U0 = 50 кВ (б) от давления рабочего газа р. Рабочий газ - аргон; tимп = 100 мкс Генерация и формирование широкоапертурных электронных пучков с выводом в атмосферу Данный тип электронных ускорителей отличается более высоким ускоряющим напряжением (до 250 кВ) и меньшей плотностью энергии (до нескольких Дж/см2), что позволяет выводить такие пучки в атмосферу через тонкую металлическую фольгу, однако большая площадь поперечного сечения таких пучков, обычно имеющая порядок 1000 см2, позволяет получать пучки с общим энергосодержанием порядка единиц килоджоулей. Для генерации таких электронных пучков требуется энергия ускоренных электронов, достаточная для преодоления выводной фольги с минимальными потерями (обычно выше 100 кэВ) [41], а также хорошая (единицы - десятки процентов от среднего значения) однородность плотности тока по сечению пучка. В лаборатории плазменной эмиссионной электроники ИСЭ СО РАН создано несколько модификаций таких ускорителей на основе СПЭ, каждый из которых имеет свои характерные отличия как по параметрам, так и по конфигурации генерируемого электронного пучка [41, 45-48]. Прежде всего, такие ускорители электронов отличаются возможностью генерации электронных пучков со сравнительно высокой импульсной мощностью, малой инерционностью, некритичностью к вакуумным условиям, а также слабой зависимостью параметров пучка друг от друга (энергия электронов, амплитуда тока пучка, его длительность и частота следования импульсов). Развитие таких ускорителей электронов, одним из основоположников создания которых являлся П.М. Щанин, продолжается. За последние годы на примере одного из ускорителей, а именно ускорителя «ДУЭТ» [49], схема которого приведена на рис. 5, а описание можно найти в работах [49-52], были продемонстрированы новые возможности таких ускорителей в целом. Плазменный катод 2 (рис. 5) в таком ускорителе представляет собой полый полуцилиндр из тонкой нержавеющей стали диаметром 300 мм и длиной 800 мм, на торцах которого закреплены два малогабаритных катодных узла на основе дуги низкого давления с инициированием катодного пятна электрическим пробоем в газе между полым катодом 4 диаметром 15 мм и длиной 20 мм и поджигающим электродом 3 со сравнимыми размерами [52]. Внутренняя поверхность полуцилиндра играет роль общего полого анода 7 для двух катодных узлов. На эмиссионную сетку с габаритными размерами 750×150 мм уложена маска 6 из нержавеющей стали толщиной 200 мкм. Маска разделяет эмиссионную поверхность на 344 ячейки Ø 12 мм, которые являются отдельными эмиссионными структурами плазменного катода. Полый анод электрически соединен с эмиссионной сеткой через сопротивление R = 10 Ом, что необходимо для переключения тока разряда с полого анода в область эмиссионной сетки 5. Под действием постоянного ускоряющего напряжения U0 величиной до 250 кВ, приложенного между катодом и выпускным фольговым окном ускорителя, с плазменной поверхности этих эмиссионных структур осуществляется отбор электронов и последующее ускорение до энергии, соответствующей ускоряющему напряжению. Выпускное фольговое окно состоит из медной опорной решетки 8 толщиной 20 мм и выводной фольги 9 из алюминий-магниевого сплава АМг-2н толщиной 30 мкм, использование которой позволяет выводить через нее электроны при U0 80 кВ [41]. В опорной решетке с общей геометрической прозрачностью 56 % имеется такое же количество отверстий, как и в маске 6, но несколько большего диаметра, равного Ø 15 мм. Таким образом, широкий электронный пучок представляет собой суперпозицию элементарных пучков, сформированных отдельными эмиссионными структурами, плазменная граница которых стабилизирована мелкоструктурной металлической сеткой. Рис. 5. Схема источника электронов с СПЭ: 1 - вакуумная камера; 2 - плазменный катод; 3 - поджигающий электрод; 4 - катод; 5 - эмиссионная сетка; 6 - маска; 7 - полый анод; 8 - опорная решетка выпускного фольгового окна; 9 - выпускная фольга; 10 - источник питания разряда; 11 - источник питания поджига; 12 - источник высокого напряжения (конденсаторная батарея); 13 - фольговый фильтр; 14 - набор алюминиевых фольг; 15 - коллектор Так, в работе [49] продемонстрировано, что при введении в плазменный эмиттер металлической маски 6 возможно существенное увеличение энергетической эффективности ускорителя электронов (рис. 6), заключающееся почти в двукратном повышении коэффициента вывода пучка из вакуума в атмосферу β, который равен отношению тока пучка за фольгой к току в ускоряющем промежутке. Это либо недостижимо, либо крайне сложно реализуемо при использовании ускорителей электронов с катодами другого типа. Рис. 6. Зависимости коэффициента вывода пучка β от величины ускоряющего напряжения и момента фиксации коэффициента β по длительности импуль¬са: кр. 1, 3 - без маски; кр. 2, 4 - с установ¬ленной в эмиттер маской В работе [50] эксперименты с маской были продолжены. Было получено экспериментальное подтверждение снижения неоднородности плотности тока по сечению пучка большого сечения в ускорителе с плазменным катодом с сеточной стабилизацией границы эмиссионной плазмы при использовании двухэлектродной многоапертурной электронно-оптической системы, в которой отверстия в маске, укладываемой на эмиссионную сетку, имеют переменный диаметр в зависимости от их расположения. В этом случае площадь отверстия в маске должна быть обратно пропорциональна плотности плазмы в области эмиссии электронов. Важно отметить, что при использовании такого сравнительно простого способа снижения неоднородности плотности тока происходит выравнивание распределения как по продольной, так и по поперечной сторонам сечения пучка, что также недостижимо или сложно реализуемо при использовании других способов снижения неоднородности плотности тока по сечению пучка, тем более в случае использования других типов эмиссионных структур. Кроме этого, необходимо отметить два важных преимущества таких ускорителей электронов с СПЭ: 1) возможность управления формой тока пучка в течение его импульса путем согласованного изменения формы импульса тока разряда в плазменном катоде [51], что позволяет повысить электрическую прочность высоковольтного ускоряющего промежутка путем уменьшения вероятности образования в последнем процессов, дестабилизирующих работу источника электронов, например, таких, как десорбция газа с электродов под действием электронной бомбардировки, нарушение электронной оптики, нарушение слоевой стабилизации границы эмиссионной плазмы и др.; 2) возможность управления шириной энергетического спектра импульсного электронного пучка [53]. Показано, что за счет уменьшения ускоряющего напряжения в течение импульса тока пучка происходит расширение его энергетического спектра и смещение максимума спектра в область меньших энергий электронного пучка. Поскольку в таких ускорителях электронов форма импульса тока пучка чаще всего имеет квазипрямоугольную форму и определяется формой импульса тока разряда, а также слабо зависит от величины ускоряющего напряжения, это позволяет легко рассчитывать величину ускоряющего напряжения в каждый момент импульса тока пучка и соответственно определять его суммарный энергетический спектр, информация о форме которого необходима для конкретных применений этих ускорителей как в научных, так и технологических целях. Важной является также возможность работы таких ускорителей в частотно-импульсном режиме с частотой повторения до ≈ 100 Гц. При этом можно реализовать режим генерации пучка с его практически моноэнергетическим спектром в ускоряющем промежутке, что сводит к минимуму потери электронов в фольге [53]. Заключение Если оценить развитие электронных источников с СПЭ с момента их создания до настоящего времени, созданных в лаборатории плазменной эмиссионной электроники ИСЭ СО РАН, то можно констатировать, что амплитуда тока была увеличена с единиц ампер до единиц килоампер, ускоряющее напряжение - с десятков до сотен киловольт, длительность импульсов тока пучка - с десятков до сотен микросекунд и частота следования импульсов - с единичных до десятков импульсов в секунду. Так, описанные электронные источники с СПЭ в совокупности обеспечивают формирование электронных пучков со следующими диапазонами основных параметров: ток пучка Ib = 50-1000 А, длительности импульсов тока пучка τ = 20-450 мкс, энергия электронов Ee = = 5-250 кэВ, максимальная плотность энергии в пучке за один импульс - до J = 100 Дж/см2, общее энергосодержание импульса тока пучка - до 5 кДж, частота следования импульсов тока пучка - от единичных импульсов до 50 c-1, средняя мощность пучка - примерно до 5 кВт. Использование в электронных источниках СПЭ обеспечивает такое важное преимущество, как независимую плавную регулировку основных параметров электронного пучка. Кроме того, указанные выше параметры электронных источников нельзя считать предельными. Есть все основания полагать, что при совершенствовании элементов конструкции плазменных катодов, схем электропитания и управления источников электронов могут быть достигнуты еще более высокие параметры генерируемых пучков, а соответственно расширится сфера их возможных применений. Электронный источник «СОЛО» может использоваться для проведения процессов модификации поверхности материалов и изделий путем импульсного расплава поверхностного слоя с последующим сверхбыстрым его охлаждением (закалкой) за счет теплопроводности в глубь материала. При этом происходит выглаживание и изменение структуры поверхностного слоя материала и, как следствие, улучшение физико-химических и эксплуатационных свойств этого материала [34-36]. Одним из перспективных направлений исследований и разработок является создание новых методов модификации поверхностного слоя материалов и изделий не только за счет воздействия на них электронного пучка, но и при сочетании методов комплексной электронно-ионно-плазменной обработки, т.е. совмещенными технологиями, в том числе проводимыми в едином вакуумном цикле. Источник килоамперного пучка, имея высокое энергосодержание, использовался в экспериментах по абляции различных материалов, а впоследствии, как это отмечалось выше, его СПЭ стал прототипом при проведении совместных экспериментов в ИЯФ СО РАН по введению электронного пучка в магнитную пробку с перспективой дальнейшего поддержания температуры электронов предварительно созданной плазмы другим, более мощным источником электронов. Источник электронов «ДУЭТ» использовался для возбуждения электроионизационных лазеров [54], инициирования радиационно-химических процессов [55], а также обработки семян сельхозпродукции [56]. Сфера возможных применений электронных источников с СПЭ расширяется по мере улучшения их параметров, повышения стабильности и срока службы. Это стимулирует исследования в этих направлениях и безусловно ведет к дальнейшему прогрессу в совершенствовании перспективных источников электронов с СПЭ.

Ключевые слова

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Коваль Николай НиколаевичИнститут сильноточной электроники СО РАНд.т.н., гл. науч. сотр. ИСЭ СО РАНkoval@opee.hcei.tsc.ru
Девятков Владимир НиколаевичИнститут сильноточной электроники СО РАНнауч. сотр. ИСЭ СО РАНvlad@opee.hcei.tsc.ru
Воробьев Максим СергеевичИнститут сильноточной электроники СО РАНк.т.н., ст. науч. сотр. ИСЭ СО РАНvorobyovms@yandex.ru
Всего: 3

Ссылки

Бугаев С.П., Крейндель Ю.Е., Щанин П.М. // ПТЭ. - 1980. - № 1. - С. 7-24.
Аксенов А.И., Корнилов С.Ю., Моторин М.П., Ремпе Н.Г. // ПТЭ. - 2017. - № 2. - С. 84-88.
Коваль Н.Н., Окс Е.М., Протасов Ю.С., Семашко Н.Н. Эмиссионная электроника. - М: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009. - 596 с.
Молоковский С.И., Сушков А.Д. // Интенсивные электронные и ионные пучки. - М: Энергоатомиздат, 1991. - 304 с.
Engelko V., Yatsenko B., Mueller G., and Bluhm H. // Vacuum. - 2001. - V. 62. - P. 211- 216.
Ozur G.E., Proskurovsky D.I., and Karlik K.V. // Instrum. Exp. Tech. - 2005. - V. 48. - No. 6. - P. 753-760.
Белов А.Б., Быценко О.А., Крайников А.В. и др. Сильноточные импульсные электронные пучки для авиационного двигателестроения / под общей ред. А.С. Новикова, В.А. Шулова, В.И. Энгелько. - М.: Дипак, 2012. - 292 с.
Месяц Г.А. Взрывная электронная эмиссия. - M.: Физматлит, 2011. - 280 с.
Месяц Г.А. Эктоны: в 3 ч. - Екатеринбург: УИФ «Наука», 1993. - Ч. 1. - 184 с.; 1994. - Ч. 2. - 247 с.; Ч. 3. - 263 с.
Крейндель Ю.Е. Плазменные источники электронов. - М.: Атомиздат, 1977. - 145 с.
Казьмин Г.С., Коваль Н.Н., Крейндель Ю.Ф. и др. // ПТЭ. - 1977. - № 4. - С. 19-20.
Коваль Н.Н., Нигоф Б.М. // ПТЭ. - 1980. - № 6. - С. 121-123.
Злобина А.Ф, Казьмин Г.С., Коваль Н.Н., Крейндель Ю.Ф. // ЖТФ. - 1980. - Т. 50. - Вып. 6. - С. 1203-1207.
Коваль Н.Н., Крейндель Ю.Ф., Месяц Г.А. и др. // Письма в ЖТФ. - 1983. - Т. 9. - Вып. 9 - С. 568-572.
Гушенец В.И., Коваль Н.Н., Крейндель Ю.Ф., Щанин П.М. // ЖТФ. - 1987. - Т. 57. - Вып. 11. - С. 2264-2268.
Koval N.N., Oks E.M., Kreindel Yu.E., et al. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A. - 1991. - V. 312. - P. 417-428.
Девятков В.Н., Коваль Н.Н., Щанин П.М. // Изв. вузов. Физика. - 1994. - Т. 37. - № 3. - С. 76-82.
Giclrens S.W.A., Peters P.J.M., Witteman W.J., et al. // Rev. Sci. Instrum. - 1996. - V. 37. - No. 7. - P. 2449-2452.
Kondrat’eva N.P., Koval N.N., Korolev Yu.D., and Schanin P.M. // J. Phys. D: Appl. Phys. - 1999. - V. 32. - P. 699-705.
Девятков В.Н., Коваль Н.Н., Щанин П.М. // ЖТФ. - 1998. - Т. 68. - Вып. 1. - С. 44-48.
Девятков В.Н., Коваль Н.Н., Щанин П.М. // Изве. вузов. Физика. - 2001. - Т. 44. - № 9. - С. 36- 43.
Девятков В.Н., Коваль Н.Н., Щанин П.М. // ЖТФ. - 2001. - Т. 71. - Вып. 5. - С. 20-24.
Белюк С.И., Груздев В.А., Жердев Ю.И., Крейндель Ю.Е. // ПТЭ. - 1975. - № 3. - С. 30-32.
Казьмин Г.С., Крейндель Ю.Е., Щёлоков А.В. // Разработка и применение источников интенсивных электронных пучков / под ред. Г.А. Месяца. - Новосибирск: Наука, 1976. - С. 106-112.
Жаринов А.В., Коваленко Ю.А., Роганов И.С., Тюрюканов П.М. // ЖТФ. - 1986. - Т. 56. - Вып. 1. - С. 66-71.
Жаринов А.В., Коваленко Ю.А., Роганов И.С., Тюрюканов П.М. // ЖТФ. - 1986. - Т. 56. - Вып. 4. - С. 687-693.
Девятков В.Н., Коваль Н.Н. // Изв. вузов. Физика. - 2017. - Т. 60. - № 9. - С. 44-48.
Коваль Н.Н., Щанин П.М., Девятков В.В. и др. // ПТЭ. - 2005. - № 1. - С. 135-140.
Koval N.N., Sochugov N.S., Devyatkov V.N., et al. // Proc. 8th Int. Conf. on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows. - Tomsk, Russia, 2006.
Devyatkov V.N., Ivanov Y.F., Krysina O.V., et al. // Vacuum. - 2017. - V. 143. - P. 464-472.
Devyatkov V.N. and Koval N.N. // J. Phys.: Conf. Ser. - 2019. - V. 1393. - P. 012040.
Девятков В.Н., Коваль Н.Н. // Изв. вузов. Физика. - 2018. - Т. 61. - № 9/2. - С. 3-7.
Devyatkov V.N. and Koval N.N. // J. Phys.: Conf. Ser. - 2014. - V. 552. - P.0102014.
Электронно-ионно-плазменная модификация поверхности цветных металлов и сплавов / под ред. Н.Н. Коваля, Ю.Ф. Иванова. - Томск: Изд-во НТЛ, 2016. - 312 с.
Коваль Н.Н., Иванов Ю.Ф. // Изв. вузов. Физика. - 2019. - Т. 62. - № 7. - С. 59-68.
Эволюция структуры поверхностного слоя стали, подвергнутой электронно-ионно-плазменным методам обработки / под ред. Н.Н. Коваля, Ю.Ф. Иванова. - Томск: Изд-во НТЛ, 2016. - 298 с.
Kandaurov I., Astrelin V., Avrorov A., et al. // Fusion Sci. Technol. - 2011. - V. 59. - No. 1T. - P. 67.
Burdakov A., Azhannikov A., Astrelin V., et al. // Fusion Sci. Technol. - 2007. - V. 51 - No. 2T. - P. 106-111.
Гушенец В.И., Коваль Н.Н., Щанин П.М. // Письма в ЖТФ. - 1990. - T. 16. - Вып. 8. - С. 12.
Воробьёв М.С., Гамермайстер С.А., Девятков В.Н. и др. // Письма в ЖТФ. - 2014. - Т. 40. - Вып. 12. - С. 24-30.
Бугаев С.П., Крейндель Ю.Е., Щанин П.М. Электронные пучки большого сечения. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 112 с.
Воробьёв М.С., Девятков В.Н., Коваль Н.Н., Сулакшин С.А. // Изв. вузов. Физика. - 2017. - Т. 60. - № 8. - С. 109-114.
Astrelin V.T., Kandaurov I.V., Vorobyov M.S., et al. // Vacuum. - 2017. - V. 143. - P.495- 500.
Астрелин В.Т., Воробьев М.С., Кандауров И.В., Куркучеков В.В. // Известия РАН. Сер. физич. - 2019. - Т. 83. - № 11. - С. 1529-1533.
Казьмин Г.С., Коваль Н.Н., Крейндель Ю.Е. и др. // ПТЭ. - 1977. - № 4. - С. 19-20.
Efremov A.M., Kovalchuk B.M., Kreindel Yu.E., et al. // Prib. i. Techn. Experim. - 1987. - No. 1. - P. 167-169.
Koval N.N., Oks E.M., Schanin P.M., et al. // Nucl. Instrum. Methods. - 1992. - V. A321. - P. 417-428.
Bugaev A.S., Koval N.N., Lomaev M.I., et al. // Laser and Particle Beams. - 1994. - V. 12. - No. 4. - P. 633-646.
Воробьёв М.С., Коваль Н.Н., Сулакшин С.А. // ПТЭ. - 2015. - № 5. - С. 112-120.
Воробьёв М.С., Коваль Н.Н. // Письма в ЖТФ. - 2016. - Т. 42. - Вып. 11. - С. 41-47.
Воробьёв М.С., Коваль Н.Н., Яковлев В.В. // Изв. вузов. Физика. - 2017. - Т. 60. - № 10/2. - С. 20-24.
Vorobyov M.S., Devyatkov V.N., Koval N.N., and Shugurov V.V. // IOP J. Phys.: Conf. Ser. - 2015. - V. 652. - Р. 012066 (1-6).
Vorobyov M.S., Baksht E.Kh., Koval N.N., et al. // Proc. 20th Int. Symp. on High-Current Electronics (ISHCE 2018). - 2018. - P. 209-213.
Коваль Н.Н., Крейндель Ю.Е., Месяц Г.А. и др. // Письма в ЖТФ. - 1986. - Т. 12. - Вып. 1. - С. 37-42.
Чмух В.Н. Радиационное отверждение ненасыщенных олигоэфиров наносекундными сильноточными пучками электронов: дис. … канд. хим. наук. - Томск, 1983. - 175 с.
Chizh T.V., Loy N.N., Pavlov А.N., and Vorobyov M.S. // IOP J. Phys.: Conf. Ser. - 2018. - V. 1115. - P. 022025.
 Источники электронов с сеточным плазменным эмиттером: прогресс и перспективы | Изв. вузов. Физика. 2020. № 10. DOI: 10.17223/00213411/63/10/7

Источники электронов с сеточным плазменным эмиттером: прогресс и перспективы | Изв. вузов. Физика. 2020. № 10. DOI: 10.17223/00213411/63/10/7