Широкоапертурные низкоэнергетичные ускорители электронов АО «НИИЭФА» на основе высоковольтного тлеющего разряда | Изв. вузов. Физика. 2020. № 10. DOI: 10.17223/00213411/63/10/41

Широкоапертурные низкоэнергетичные ускорители электронов АО «НИИЭФА» на основе высоковольтного тлеющего разряда

Описаны принцип действия и конструктивные особенности широкоапертурных ускорителей на основе несамостоятельного высоковольтного тлеющего разряда. Показаны их преимущества по сравнению с традиционными ускорителями на основе ряда протяженных термоэмиттеров. Представлены основные характеристики и отличительные особенности ряда ускорителей данного типа, разработанных в АО «НИИЭФА» и используемых в различных областях науки и техники.

Wide-aperture low-energy electron accelerators based on high-voltage glow discharge developed in JSC "NIIEFA".pdf Введение Широкоапертурные электронные ускорители, генерирующие пучки большого сечения с энергией до 300 кэВ, находят применение в радиационных технологиях, плазмохимических реакторах, газовых электроионизационных лазерах и др. Возможность синхронного облучения поверхностей или газовых объемов большого поперечного сечения является их важной особенностью. Анализ общих требований к пучкам большого сечения, подробный обзор их практического применения и перспектив использования представлены в работе [1]. Наибольшее распространение приобрели широкоапертурные ускорители, в которых получение и формирование пучка электронов обеспечивается в планарных электронно-оптических системах с катодом в виде ряда протяженных прямонакальных дискретных термоэмиттеров, выполненных обычно из вольфрамового сплава [2-5]. Рис. 1. Элементарная ячейка ускорителя на основе ВТР: A, D - ускоряющий и дрейфовый промежутки соответственно Наряду с ускорителями на основе термоэмиттеров, широкое применение находят ускорители электронов на основе высоковольтного тлеющего разряда (ВТР) [6-10]. Принцип действия этих ускорителей основан на использовании явления ион-электронной эмиссии, возникающей при бомбардировке холодного катода ВТР (металлической пластины из нержавеющей стали) быстрыми ионами и нейтралами ВТР [11, 12]. На рис. 1 представлена ячейка ускорителя на основе ВТР, иллюстрирующая принцип действия. На катод ВТР подается ускоряющее напряжение, ионы извлекаются из области прианодной плазмы ускоряющим полем, провисающим в отверстия в аноде ВТР, нейтралы рождаются в ускоряющем промежутке в результате перезарядки. При этом напряжение пробоя ВТР (максимальное значение удерживаемого напряжения) соответствует левой ветви кривой Пашена [13]. Прианодная плазма, или плазма вспомогательного разряда, может генерироваться различными способами. В качестве источника плазмы (из которой могут отбираться как электроны, так и ионы) может служить дуговой разряд [14, 15], тлеющий разряд с полым катодом [16], низковольтный разряд, инициируемый термокатодом [7, 12], тонкопроволочный разряд орбитронного типа [17, 18]; плазма может образовываться при прохождении вспомогательного электронного пучка [11] и т.д. Конструктивные особенности и достоинства ускорителей на основе высоковольтного тлеющего разряда В состав ускорителя на основе ВТР входят: катод ВТР - металлическая пластина, находящаяся под потенциалом ускоряющего напряжения; анод ВТР - перфорированная пластина под «земляным» потенциалом; устройство вывода пучка электронов, состоящее из опорной решетки с фольгой. Анод делит объем ускорителя на два промежутка: ускоряющий A, в котором происходит ускорение ионов к катоду и электронов в обратном направлении, и дрейфовый D - зону горения вспомогательного разряда. Катод и анод ВТР, а также опорная решетка образуют ион-электронную оптическую систему (ИЭОС). При зажигании вспомогательного разряда и подаче на катод ускоряющего напряжения в промежутке анод - катод зажигается несамостоятельный ВТР, в поле которого происходит ускорение и перезарядка ионов, вызывающих при бомбардировке катода эмиссию электронов. Последние ускоряются этим же полем и, пройдя ускоряющий и дрейфовый промежутки, через фольгу выводятся из ускорителя. В работе [12] показано, что теоретически при обеспечении соосности отверстий в аноде δa и опорной решетке δsw (см. рис. 1) можно получить высокие значения коэффициента вывода пучка, поскольку потери пучка электронов при прохождении такой структуры будут минимальными. Необходимо отметить, что в сравнении с широкоапертурными ускорителями на основе ряда протяженных термоэмиттеров ускорители на базе ВТР обладают целым рядом достоинств. Одним из основных преимуществ ускорителей ВТР является диапазон рабочего давления в вакуумной камере, составляющий 10-3-10-4 Торр, это позволяет существенно упростить систему откачки по сравнению с ускорителями с термокатодами, где рабочее давление 10-6-10-7 Торр. Важнейшим достоинством ускорителей на основе ВТР является простая конструкция катодного узла, в качестве которого используется металлическая пластина. В ускорителях на основе термоэмиссии катодный узел - это сложный катодно-сеточный блок, содержащий ряд протяженных проволочных термоэмиттеров и элементов сетки (либо сеток) с системами компенсации термоудлинения. При этом требуются независимые источники питания накала и сеточного управления. Катод ВТР, в отличие от термоэмиттеров, не чувствителен к аварийным прорывам атмосферы, его долговечность и надежность на несколько порядков выше аналогичных характеристик термоэмиттеров, в случае необходимости легко обеспечивается возможность его принудительного охлаждения. Кроме того, он обладает значительно более высокой устойчивостью к вибрационным нагрузкам, что имеет существенное значение при использовании ускорителей в транспортируемых вариантах электрофизических установок. Таким образом, конструкция ускорителей такого типа определяет более высокую надежность его эксплуатации при меньшей стоимости изготовления по сравнению с ускорителями на основе термоэмиттеров. Принцип действия ускорителя ВТР также позволяет формировать не только плоские потоки электронов, но при необходимости делать их цилиндрическими с углом обработки внешних или внутренних цилиндрических поверхностей до 180°. Преимуществом ускорителей на основе ВТР является и то, что их система питания имеет один высоковольтный канал ускоряющего напряжения. Питание вспомогательных источников, обеспечивающих управление током ускорителя, осуществляется со стороны земляного потенциала, в то время как питание катодов и сеточное управление в ускорителях на основе термоэмиттеров осуществляются под полным ускоряющим напряжением. В НИИЭФА им. Д.В. Ефремова разработки широкоапертурных ускорителей на основе несамостоятельного ВТР проводились с начала 80-х годов ХХ в. [19-22]. Дополнительным стимулом развития ускорителей ВТР оказалось требование исключения дополнительного нагрева рабочей среды в газоразрядной камере мощных электроионизационных газовых лазеров с криогенным охлаждением рабочей смеси тепловым излучением термоэмиттеров широкоапертурного ускорителя, который является устройством ионизации лазера. Это условие оказалось возможным реализовать в ускорителях с холодным катодом на основе ВТР. Применение разработанных в АО «НИИЭФА» ускорителей на основе ВТР В НИИЭФА был создан целый ряд широкоапертурных низкоэнергетичных электронных ускорителей на основе несамостоятельного ВТР для различных применений. Наиболее часто в наших разработках для генерации прианодной плазмы используется тлеющий вспомогательный разряд с тонкопроволочными анодами, как обеспечивающий наиболее высокую эффективность при относительно простом конструктивном решении. Катодом вспомогательного разряда являются стенки вакуумной камеры в дрейфовом объеме, анодом служат один или несколько электродов в виде тонких вольфрамовых нитей, на которые подается напряжение зажигания 1-2 кВ. После зажигания вспомогательного разряда напряжение горения составляет 50-800 В в зависимости от условий: давления, рода газа, наличия дополнительных источников электронной подсветки. Аноды вспомогательного разряда могут располагаться по краям апертуры электронного пучка за ее пределами, либо в пределах апертуры электронного пучка в зависимости от ее размеров и требований пространственной однородности горения разряда. Для повышения устойчивости горения вспомогательного разряда и расширения его рабочего диапазона по давлению в процессе экспериментальных исследований было предложено техническое решение с использованием дополнительных источников электронов («электронной подсветки») в виде отрицательно смещенных относительно «земли» термоэмиттеров. Последние расположены в непосредственной близости от каждого анода вспомогательного разряда и имеют собственные источники питания накала и отрицательного смещения. Один из первых разработанных в институте ускорителей на основе ВТР - ускоритель СОЛ-2 - представлен на рис. 2. Рис. 2. Ускоритель СОЛ-2 на испытательном стенде Режим работы ускорителя - непрерывный, сечение выведенного пучка Sпучка = 4520 см2, ускоряющее напряжение Uуск = 130-150 кВ‚ плотность тока выведенного пучка jпучка = = 10-15 мкА/см2. Диапазон рабочего давления в вакуумной камере 310-3-1.510-2 Торр, рабочий газ - воздух. Плазма вспомогательного разряда обеспечивалась двумя встречными ленточными электронными пучками в дрейфовом промежутке. Запущен в 1984 г. в ФИАЭ, г. Троицк, г. Москва, в составе комплексной электрофизической установки. В развитие темы в 1985-1987 гг. был разработан, изготовлен и запущен ускоритель установки «Барьер», показанный на рис. 3. Ускоритель работал в непрерывном режиме, сечение пучка Sпучка = = 20020 см2, рабочее значение ускоряющего напряжения Uуск = 170-180 кВ‚ плотность тока выведенного пучка jпучка = 12-18 мкА/см2. Диапазон рабочего давления в вакуумной камере 210-3- 510-3 Торр, рабочий газ - воздух. Плазма вспомогательного разряда создавалась с помощью тлеющего разряда орбитронного типа с тонкопроволочными анодами. Рис. 3. Ускоритель установки «Барьер» на испытательном стенде В конце 80-х годов в институте был разработан также на основе ВТР широкоапертурный ускоритель установки СОЛ-ИПР. Устройство, как и ускоритель установки «Барьер», разрабатывалось для ФГУП ГНЦ РФ ТРИНИТИ. Общий вид ускорителя представлен на рис. 4. Рис. 4. Ускоритель установки СОЛ-ИПР В процессе наладки и испытаний показана возможность работы этого ускорителя как в импульсно-периодическом, так и в непрерывном режиме. Сечение выведенного пучка Sпучка = = 4530 см2, в импульсно-периодическом режиме обеспечивается ускоряющее напряжение до 210 кВ, плотность тока выведенного пучка - до 5 мА/см2, частота следования импульсов - до 100 Гц; в непрерывном режиме ускоритель при ускоряющем напряжении до 160 кВ обеспечивает генерацию электронного пучка с плотностью тока до 56 мкА/см2. Диапазон рабочего давления в вакуумной камере 510-4-210-3 Торр, рабочий газ - воздух. Ускоритель установки СОЛ-ИПР разрабатывался для кратковременной непрерывной работы, поэтому принудительное охлаждение его элементов и узлов не предусматривалось. Вспомогательный разряд был реализован как тлеющий разряд с тонкопроволочными анодами, для стабилизации его горения в непрерывном режиме и расширения рабочего диапазона ускорителя по давлению применялась дополнительная «электронная подсветка» с помощью термоэмиттеров. На ускорителе установки СОЛ-ИПР экспериментально исследованы различные типы ион-электронных оптических систем [23]. Проведены испытания ИЭОС с перфорацией анода и опорной решетки круглыми отверстиями, с различными значениями толщины анода ВТР, с использованием мелкоструктурной сетки, фиксирующей границу прианодной плазмы, с перфорацией анода и опорной решетки щелевыми отверстиями. Показаны преимущества ион-электронных оптических систем щелевого типа, с применением которых были получены максимальные значения плотности тока выведенного пучка и коэффициента вывода по сравнению с системами с перфорацией круглыми отверстиями. В начале 90-х годов для промышленных целей разработан широкоапертурный ускоритель на основе ВТР ТУР-М [9]. Ускоритель генерировал в импульсно-периодическом режиме электронный пучок сечением 190×30 cм2 и мощностью до 6 кВт (рис. 5 и 6). Рис. 5. Ускоритель ТУР-М Рис. 6. Общий вид линии радиационного отверждения полимерных материалов на базе ускорителя ТУР-М Амплитуда импульсов ускоряющего напряжения - 250 кВ, частота следования импульсов - 100 Гц при длительности импульса 30 мкс, импульсное значение плотности тока выведенного пучка - 2 мА/см2. Значения коэффициента вывода пучка достигали 25 %. Ускоритель был установлен в пилотную технологическую линию по радиационному отверждению мономер-олиго¬мерных композиций на различных материалах на Тверском комбинате «Искож», прошел 72-часо¬вые сдаточные испытания и использовался для отработки различных радиационных технологий. Рис. 7. Общий вид электрофизической части генератора озона. Ускоритель в середине линейки оборудования В работе [10] представлен широкоапертурный электронный ускоритель для экспериментального образца генератора озона нового типа на основе несамостоятельного продольного объемного разряда в газоразрядной камере (рис. 7). Генератор озона разрабатывался для очистки воды на водоочистных сооружениях. В ускорителе применена ИЭОС с перфорацией охлаждаемых анода и опорной решетки соосными рядами щелей (щелевого типа) и с каналами охлаждения между рядами. Ускоритель имел круглое выводное окно диаметром 50 см с площадью апертуры ~ 2000 см2. Работа ускорителя обеспечивалась в технологическом импульсно-периодическом режиме с частотой следования импульсов 100 Гц и длительностью импульса 25 мкс. Амплитуда ускоряющего напряжения - 220 кВ, амплитуда тока выведенных электронов - до 13 А в импульсе, что соответствовало импульсной плотности тока 6.5 мА/см2 или ее среднему значению за период ~ 16 мкА/см2. Рабочий газ - гелий. Коэффициент вывода пучка составлял 32 %. Актуальным применением ускорителей на базе ВТР является их использование в лабораторных и исследовательских направлениях в связи с простотой обслуживания и надежностью. Ускоритель СМОЛ (рис. 8 и 9) работает в составе стендового оборудования лаборатории широкоапертурных ускорителей НИИЭФА с начала 80-х годов по настоящее время. На нем отрабатываются различные конструкторские, технические и технологические задачи разработки и применений широкоапертурных ускорителей на основе ВТР. Ускоритель работает в непрерывном режиме с ускоряющим напряжением до 200 кВ, плотностью тока выведенного пучка до 80 мкА/см2 и коэффициентом вывода до 60 %, апертура выведенного пучка - 17×21 см2. Рис. 8. Общий вид ускорителя СМОЛ Рис. 9. Катод и анод высоковольтного тлеющего разряда ускорителя СМОЛ В ускорителе применена щелевая ИЭОС. Опорная решетка и анод охлаждаемые. На рис. 9 показаны катод и анод ВТР ускорителя после длительной наработки. На катоде хорошо видны следы (отпечатки) падающего ионного пучка, а также следы высоковольтных пробоев. Можно отметить, что длина отпечатка на катоде от одной ячейки существенно меньше длины отдельной ячейки в аноде, это свидетельствует о высокой степени фокусировки элементарного ионного пучка при извлечении ионов из плазмы вспомогательного разряда в выбранных нами геометрии ячейки ИЭОС и толщине анода. Заключение Таким образом, представлены основные результаты исследований, проведенных специалистами НИИЭФА в области разработки, создания и применения в различных областях науки и техники широкоапертурных низкоэнергетичных ускорителей на основе ВТР. Достигнутые характеристики показывают их высокую конкурентоспособность в сравнении с традиционными ускорителями на основе ряда протяженных термоэмиттеров. Необходимо отметить, что в международной научной печати редко появляются публикации, посвященные рассматриваемой тематике. Известно, что корпорация RPC («Radiation Polymer Company Industries», Хейворд, Калифорния) занималась подобными разработками, однако после 1988 г. публикации не появляются. В июне 1993 г. в Ванкувере в рамках 20-й Международной конференции IEEE по плазменной науке было сообщение о создании специалистами Токийского института технологий проволочного ионно-плазменного источника (WIPS) и вторичной эмиссионной электронной пушки, позднее появлялись другие сообщения о подобных разработках, но в весьма ограниченном формате. Поэтому сравнительный анализ с зарубежными аналогами затруднен. Тем не менее достигнутые значения параметров созданных в НИИЭФА ускорителей данного типа подтверждают высокий профессиональный уровень разработчиков и лидирующие позиции института в направлении создания широкоапертурных низкоэнергетичных ускорителей.

Ключевые слова

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Косогоров Сергей ЛеонидовичНИИ электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремовад.т.н., начальник лаборатории АО «НИИЭФА»kosogorov@niiefa.spb.su
Успенский Николай АлександровичНИИ электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремовак.т.н., ст. науч. сотр. АО «НИИЭФА»uspensky-nicolai@mail.ru
Шведюк Валерий ЯковлевичНИИ электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремоваведущ. конструктор АО «НИИЭФА»
Васеленок Александр АлексеевичГНЦ РФ «Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований»к.ф.-м.н., начальник лаборатории АО «ГНЦ РФ ТРИНИТИ»neo@triniti.ru
Джигайло Иван ДмитриевичГНЦ РФ «Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований»ведущ. инженер АО «ГНЦ РФ ТРИНИТИ»dji@triniti.ru
Смирнов Геннадий АлександровичГНЦ РФ «Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований»к.ф.-м.н., ст. науч. сотр. АО «ГНЦ РФ ТРИНИТИ»sga@triniti.ru
Всего: 6

Ссылки

Бугаев С.П., Крейндель Ю.Е., Щанин П.М. Электронные пучки большого сечения. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 112 c.
Аброян М.А., Богомазов П.М., Зверев С.Ф. и др. // ПТЭ. - 1982. - № 5. - С. 28.
Аброян М.А., Богомазов П.М., Желтов В.А. и др. // ВАНТ. Сер. Электрофизическая аппаратура. - Л.: Энергоатомиздат, 1989. - Вып. 24. - С. 48.
Аброян М.А., Бодакин Л.В., Косогоров С.Л. и др. // Сб. докл. Десятого Междунар. совещ. по применению ускорителей заряженных частиц в промышленности и медицине. (С. Петербург, октябрь, 2001 г.). - М.: ЦНИИатоминформ, 2001. - С. 422.
Баранов Г.А., Бодакин Л.В., Гурашвили В.А. и др. // ПТЭ. - 2013. - № 1. - С. 81. https://doi.org/10.7868/S0032816213010047.
Pigache D. and Fournier G.A. // Vacuum Sci. Technol. - 1975. - V. 12. - No. 6. - P. 1197.
Pigache D., Bonnet Y., and Fournier G.A. // Proc. Int. Conf. on Phenom. in Ionized Gases. - Minsk, 1981. - P. 865.
Isaacs G.G., Jordan D.L., and Dooley P.Y. // J. Phys. Sci. Instrum. - 1979. - V. 12. - P. 115.
Аброян М.А., Баранов В.Е., Богомазов П.М. и др. // Тез. докл. Седьмого совещ. по применению ускорителей заряженных частиц в народном хозяйстве (С.-Петербург, июнь, 1992 г.). - М.: ЦНИИатоминформ, 1992. - С. 18.
Аброян М.А., Косогоров С.Л., Мотовилов С.А. и др. // Развитие и совершенствование способов и средств очистки и обеззараживания питьевых и сточных вод. - Вологда: Полиграфист, 2003. - С. 65-70.
Аброян М.А., Успенский Н.А., Федяков В.П. // ПТЭ. - 1984. - № 4. - С. 24.
Аброян М.А., Евстратов И.Ю., Косогоров С.Л. и др. // ПТЭ. - 1998. - № 2. - С. 83.
Райзер Ю.П. Физика газового разряда. - М.: Наука, 1992. - 536 с.
Гутова Л.А., Крейндель Ю.Е., Никитинский В.А. // Изв. вузов. Радиоэлектроника. - 1970. - № 1. - С. 77.
Казьмин Г.С., Крейндель Ю.Е., Щелоков А.В. // III Украинская республ. конф. по электронной оптике и ее применениям. Ч. 1. - Харьков, 1974. - С. 146.
Груздев В.А., Крейндель Ю.Е., Ремпе Н.Г., Троян О.Е. // ПТЭ. - 1985. - № 1. - С. 140- 142.
Федяков В.П. Тлеющий разряд орбитронного типа / Препринт НИИЭФА: П-К-0781, 1988. - М.: ЦНИИатоминформ, 1988.
Аброян М.А., Иванов Е.В., Косогоров С.Л. и др. // Тез. докл. Седьмой всес. конф. по физике низкотемпературной плазмы. - Ташкент: ФАН, 1987. - Ч. 2. - С. 276-277.
Денисов С.С., Успенский Н.А., Федяков В.П. Применение несамостоятельного тлеющего разряда для генерации электронного пучка большого сечения / Препринт К-0566. - Л.: НИИЭФА, 1982.
Денисов С.С., Успенский Н.А., Федяков В.П. // ПТЭ. - 1984. - № 2. - С. 139.
Аброян М.А., Успенский Н.А., Федяков В.П. Управление ускорителем со вторично-эмиссионными многоапертурными пучками / Препринт К-0634. - Л.: НИИЭФА, 1983.
Успенский Н.А. Дис. … канд. тех. наук. - Л.: НИИЭФА, 1988.
Баранов Г.А., Гурашвили В.А., Джигайло И.Д. и др. // ПТЭ. - 2020. - № 2. - С. 102.
 Широкоапертурные низкоэнергетичные ускорители электронов АО «НИИЭФА» на основе высоковольтного тлеющего разряда | Изв. вузов. Физика. 2020. № 10. DOI: 10.17223/00213411/63/10/41

Широкоапертурные низкоэнергетичные ускорители электронов АО «НИИЭФА» на основе высоковольтного тлеющего разряда | Изв. вузов. Физика. 2020. № 10. DOI: 10.17223/00213411/63/10/41