Formation of a non-relativistic, high-current electron beam in a gas-filled diode.pdf Введение Нерелятивистские (10-30 кэВ) сильноточные (до 30 кА) электронные пучки (НСЭП) представляют большой интерес для модификации поверхностных слоев металлических материалов [1-8]. Высокая плотность энергии (до 15 Дж/см2) и короткая длительность импульса (2-4 мкс) позволяют выделить энергию пучка в тонком (доли - единицы микрометров) поверхностном слое, доводя его до плавления и даже частичного испарения. Разработанные нами источники НСЭП нашли применение не только в физическом эксперименте, но и на практике для финишной обработки штампов, металлических зубных протезов и других изделий [4, 5, 7]. Формирование НСЭП осуществляется, как правило, в пушках с плазменным анодом и взрывоэмиссионным катодом [7]. Традиционно актуальными задачами физики и техники генерирования НСЭП остаются обеспечение однородности распределения плотности энергии по сечению пучка, повышение стабильности параметров пучка от импульса к импульсу и расширение диапазона его параметров. Решение этих задач существенно зависит от надежности работы взрывоэмиссионного катода электронной пушки в различных условиях. В [9] мы предложили новый метод инициирования взрывной эмиссии путем встраивания в дисковый катод резистивно развязанных дуговых источников плазмы. Эксперименты [9] с новым катодным узлом, построенным на этом принципе, показали улучшенную стабильность его работы по сравнению с наиболее часто используемым многопроволочным медным катодом и повышенную (в 1.4-2.4 раза) среднюю плотность эмиссионного тока. Кроме того, пониженные напряжения при пробое по диэлектрику по сравнению с вакуумным пробоем в отсутствие диэлектрика [10, 11] позволяют понизить амплитуду импульса ускоряющего напряжения вплоть до 5 кВ, существенно расширяя тем самым диапазон параметров пучка. Благодаря независимости инициирования взрывной эмиссии от ускоряющего зазора и от среды его наполняющей новый катодный узел является управляемым и может использоваться в режиме вакуумного или газонаполненного диода. Настоящая работа посвящена исследованию особенностей формирования пучка в сильноточной электронной пушке с данным катодным узлом в зависимости от давления и рода рабочего газа, а также от индукции ведущего магнитного поля. Методика эксперимента В экспериментах использовалась установка, устройство и принцип действия которой описаны в [9]. Многоканальное инициирование взрывной электронной эмиссии осуществляется с помощью 69-ти параллельно срабатывающих, резистивно развязанных дуговых источников плазмы, электроды и трубчатые керамические изоляторы которых встроены в катодную дисковую подложку из меди. Площадь эмитирующей части катода составляла 19.6 см2. Вывод коллекторного тока, т.е. тока в цепи тепловизионной мишени 11, осуществлялся в радиальном направлении (рис. 1). Это позволяло регистрировать в одном импульсе как электрические параметры пучка (ускоряющее напряжение и ток), так и его тепловой отпечаток (термограмму), по которому определялись полная энергия пучка и ее распределение в поперечном сечении. Регистрация импульсов ускоряющего напряжения осуществлялась с помощью активного делителя, тока катода и тока пучка на коллектор - поясами Роговского. Сигналы с датчиков подавались на входы 4-канального широкополосного (200 МГц) цифрового осциллографа Tektronix TDS 2024. Энергия пучка в импульсе, Е, и ее распределение по сечению определялись по термограммам, полученным с помощью тепловизора TESTO 875-1 по методике, описанной в [12]. Рис. 1. Схема эксперимента с одновременной регистрацией осциллограмм тока пучка и его термограмм: 1 - катод; 2 - керамические трубки; 3 - медные электроды; 4 - резистор ТВО-2 (1 кОм); 5 - генератор высоковольтных импульсов; 6 - изоляторы ввода ускоряющего напряжения; 7 и 8 - пояса Роговского; 9 - соленоид; 10 - экранный электрод; 11 - тепловизионная мишень (коллектор пучка); 12 - инфракрасное окно из флюорита кальция; 13 - тепловизор; 14 - корпус пушки. R1 и R2 - активный делитель напряжения В качестве рабочего газа использовались аргон, воздух и гелий, напускаемые стационарно с помощью прибора СНА-2. Ведущее магнитное поле создавалось секционированным соленоидом 9 и регулировалось в пределах от 0 до 0.1 Тл. Результаты экспериментов и их обсуждение На рис. 2 приведены типичные осциллограммы импульсов, полученные в различных режимах. На осциллограммах тока пучка можно выделить три характерных стадии. При относительно низких давлениях газа на первой стадии ток пучка нарастает до 5-10 кА (момент времени t1, значение тока I1), на второй стадии ток существенно падает, что вызвано, на наш взгляд, рассасыванием плазмы, инжектируемой из дуговых источников (точнее, ее легкой компоненты, состоящей из ионизованного десорбированного газа), встроенных в катод. Диод переходит в режим плазменного прерывателя - спад тока сопровождается соответствующим индуктивным выбросом напряжения [13, 14]. На третьей стадии ток на коллектор нарастает благодаря распространению в ускоряющий зазор тяжелой компоненты катодной плазмы, состоящей из материала катода (медь), коллекторной плазмы, возникающей, прежде всего, из десорбированного газа, а также благодаря ионизации рабочего и остаточного газа. Дополнительно рост тока стимулируется за счет появления взрывоэмиссионных центров под плазмой на кромке экранного электрода 10. Если же давление газа достигает некоторой критической величины (0.133 Па в воздушном эквиваленте), то вторая стадия отсутствует: рост тока идет монотонно, импеданс диода падает, длительность импульса пучка сокращается на время примерно равное t2 (рис. 2, а). Это связано, на наш взгляд, с развитием пучково-плазменного разряда в рабочем газе, приводящего к резкому росту концентрации плазмы, как это наблюдалось, например, в [15]. Причем это происходит, несмотря на то, что длина свободного пробега электронов (как пучковых, так и плазменных) остается существенно больше характерных расстояний между электродами пушки. Отметим, что близость сечений ионизации аргона и азота (основного компонента воздуха) обуславливает схожесть осциллограмм при одном и том же давлении. Напротив, в случае гелия для получения сходных осциллограмм требовалось давление примерно в 6 раз больше, что обусловлено его существенно меньшим сечением ионизации (примерно в 8 раз). Рис. 2. Типичные осциллограммы импульсов ускоряющего напряжения (1-й канал, 10 кВ/дел.), полного тока катода (2-й канал, 12 кА/дел.) и тока пучка на коллектор (3-й канал, 10 кА/дел.), полученных для различных давлений и родов газа: a - pAr = 0.053 Па, б - pAr = 0.093 Па, в - pAr = 0.133 Па, г - pAir = 0.093 Па, д - pAir = 0.133 Па, е - pHe = 0.3 Па, ж - pHe = 0.52 Па, з - pHe = 0.74 Па. Зарядное напряжение генератора высоковольтных импульсов, питающего электронную пушку, Uch = 12 кВ; Bz = 0.08 Tл Падение импеданса диода и сокращение длительности импульса приводит к уменьшению энергии пучка в импульсе. Например, на рис. 3 представлены термограммы, полученные при давлениях рабочего газа (аргон) 0.093 и 0.133 Па. Полная энергия пучка, выделенная в тепловизионной мишени, составляет 53 и 22.2 Дж соответственно. То есть увеличение давления газа на 40% привело к уменьшению энергии пучка в импульсе почти в 2.5 раза. Зависимости энергии пучка в импульсе от давления и рода газа представлены на рис. 4. Вначале рост энергии обусловлен улучшением согласования импеданса пушки с питающим ее генератором высоковольтных импульсов, а затем при достижении некоторого критического значения давления это согласование, напротив, ухудшается вследствие развития вышеупомянутого пучково-плазменного разряда. Рис. 3. Термограммы после импульса пучка: a - pAr = 0.093 Па, б - pAr = 0.133 Па. Uch = 12 кВ Рис. 4. Энергия пучка в импульсе в зависимости от давления и рода рабочего газа: аргона, воздуха и гелия. Uch = 17 кВ. Значения давления даны в воздушном эквиваленте (по показанию ионизационного датчика ПМИ-2). Энергия при давлении воздуха 0.008 Па соответствует вакуумному диоду Было также исследовано поведение параметров пучка в зависимости от индукции внешнего ведущего магнитного поля, Bz. В таблице приведены значения токов I1, Im в соответствующие моменты времени t1, tm (см. рис. 2, а), из которых видно существенное возрастание токов с увеличением Bz. Это обусловлено, на наш взгляд, соответствующим увеличением продольной компоненты скорости электронов пучка. Из таблицы также видно, что, начиная с Bz = 0.042 Tл (что сравнимо с индукцией собственного магнитного поля пучка), энергия пучка «выходит на насыщение» для случая аргона и воздуха. Значения тока и энергии пучка в импульсе в зависимости от индукции ведущего магнитного поля. Uch = 17 кВ, р = 0.08 Па (в воздушном эквиваленте по ионизационному датчику ПМИ-2) Bz, Тл Ar Air He I1, кА Im, кА E, Дж I1, кА Im, кА E, Дж I1, кА Im, кА E, Дж 0 6 5 25.4 7 6 30.8 5 7 23.6 0.01 7.5 6 32.7 7 6 47 5 9 23.1 0.02 7.5 9 31.9 7 9 49 4 9.3 25.2 0.031 9.3 10 47.3 9.5 16.3 70.2 4 12 26.9 0.042 12 14.5 83.3 9.5 16 82.2 4 14 31.3 0.074 10.5 15 85.9 10 26 85.8 5 16 47.5 0.088 - 24 79.7 10 28 91.7 5 20 61.7 Характерная термограмма и соответствующие ей распределения плотности энергии в вертикальном и горизонтальном сечениях пучка приведены на рис. 5. Распределения имеют колоколообразный вид, что обусловлено, видимо, действием собственного магнитного поля пучка на траектории его электронов. Рис. 5. Термограмма и соответствующее ей распределение плотности энергии пучка в двух сечениях. pAr = 0.093 Па, Uch = 17 кВ, Bz = 0.074 Tл Заключение Исследовано формирование нерелятивистского сильноточного электронного пучка в вакуумном и газонаполненном (аргон, воздух, гелий) диоде. Сильноточная электронная эмиссия обеспечивается благодаря резистивно развязанным дуговым источникам плазмы, встроенным в дисковый медный катод и инициируемым пробоем по поверхности диэлектрика. Показано, что зависимость энергии пучка в импульсе от давления газа имеет немонотонный характер. Вначале рост энергии пучка в импульсе с давлением газа обусловлен улучшением согласования импеданса пушки с питающим ее генератором высоковольтных импульсов. При достижении некоторого критического значения давления (в нашем случае 0.133 Па в воздушном эквиваленте) энергия пучка падает вследствие развития пучково-плазменного разряда, что приводит к падению импеданса диода (а значит, кинетической энергии электронов пучка) и уменьшению длительности импульса. Возрастание тока пучка и его энергии в импульсе с увеличением индукции внешнего ведущего магнитного поля обусловлено увеличением продольной компоненты скорости электронов пучка.

Скачать электронную версию публикации