Latitude and amplitude modulation of the beam current for controlling its power during a submillisecond pulse.pdf Введение Источники импульсных электронных пучков представляют значительный интерес, прежде всего, в связи с перспективностью их использования для обработки поверхности материалов, повышения износостойкости режущего инструмента, увеличения усталостной прочности лопаток турбин и компрессоров, повышения коррозионной стойкости металлических материалов, увеличения электрической прочности вакуумной изоляции и др. [1-4], и нуждаются в дальнейшем изучении и технологическом совершенствовании. Традиционный способ генерации электронных пучков в импульсном режиме чаще всего основан на подаче импульса тока пучка квазипрямоугольной формы. В этом случае оперируют таким параметром, как плотность энергии пучка при его фиксированной длительности, пренебрегая изменением мощности пучка в течение его импульса. Изменение мощности пучка в течение импульса может быть связано со снижением ускоряющего напряжения при уносе заряда из конденсаторной батареи, используемой для питания ускоряющего промежутка. Достижение «квазипостоянной» мощности в этом случае достигается только за счет увеличения емкости конденсаторной батареи, которая в случае генерации интенсивных (сотни ампер, десятки килоэлектронвольт) пучков субмиллисекундной длительности достигает десятков микрофарад и имеет существенные массогабариты. Кроме этого, данный способ генерации накладывает ограничения на возможные режимы обработки материалов и изделий, а также на предельные параметры работы источника электронов. Управление мощностью пучка в течение импульса открывает новые возможности обработки различных материалов и изделий, а также расширяет области применения импульсных электронных пучков. Например, реализуется обработка металлических материалов интенсивным потоком энергии переменной мощности и моделирование теплового воздействия по заданному закону изменения температуры поверхности [5]. Для реализации управления мощностью электронного пучка в течение импульса субмиллисекундной длительности наиболее подходящими объектами являются плазменные источники электронов с сеточной стабилизацией границы эмиссионной плазмы. Использование плазменных катодов на основе дугового разряда низкого давления представляется наиболее целесообразным и перспективным, так как в настоящее время они являются практически единственными эмиссионными структурами, способными обеспечить широкий (десятки см2) интенсивный (сотни ампер) электронный пучок субмиллисекундной длительности и к тому же обладают рядом неоспоримых преимуществ перед традиционными термо- и взрывоэмиссионными катодами как по параметрам, так и по эксплуатационным свойствам, что позволяет осуществлять обработку материалов в режимах, не достижимых при использовании других источников, а сеточная/слоевая стабилизация границы катодной/эмиссионной плазмы в таких источниках позволяет осуществлять независимую регулировку основных параметров электронного пучка (таких как энергия электронов, амплитуда тока пучка, длительность и частота следования импульсов), что облегчает научный поиск оптимальных режимов облучения в сравнительно широком диапазоне параметров пучка [6-9]. Такие источники позволяют проводить комплексные исследования (с перспективой дальнейших промышленных применений) по модификации поверхности материалов и изделий с одновременной оптимизацией режимов электронно-пучковых воздействий. В работе продемонстрированы два способа управления мощностью электронного пучка в течение его импульса субмиллисекундной длительности. Первый способ основан на управлении амплитудой тока разряда, а второй - на сеточном управлении тока электронного пучка (режим плазменного триода). Методы и материалы Работа выполнена с использованием источника электронов «СОЛО» с плазменным катодом на основе дугового разряда низкого давления с сеточной стабилизацией границы эмиссионной плазмы и плазменным анодом (рис. 1), граница которого открыта и подвижна, что позволяет генерировать широкий (диаметром до 40 мм) интенсивный (до 200 А) субмиллисекундный (до 500 мкс) электронный пучок [10, 11]. Рис. 1. Схема электронного источника «СОЛО» с сеточным плазменным катодом и плазменным анодом Источник электронов «СОЛО» с плазменным катодом основан на системе двухступенчатого зажигания разряда. Между электродом 1, помещенным в поле постоянных магнитов 12, и катодом 2 при приложении импульса напряжения Utrig величиной 12-15 кВ зажигается инициирующий (поджигающий) разряд. Основной дуговой разряд горит между катодом 2 и электродами 5, 6. Анодная вставка 3, электрически соединенная с анодом дугового разряда через токоограничительное сопротивление RHA, необходима для облегчения условий зажигания дугового разряда и крепления дополнительного перераспределяющего электрода 4, имеющего с ней электрический контакт. Электрод 4 используется для выравнивания распределения плотности эмиссионного тока [12] и самосогласованной стабилизации тока в ускоряющем промежутке [13]. В центре эмиссионного электрода 6, являющегося пластиной из нержавеющей стали, выполнено отверстие диаметром 40 мм. Для обеспечения слоевой стабилизации границы эмиссионной плазмы отверстие в эмиссионном электроде перекрыто мелкоячеистой сеткой 5. Постоянное ускоряющее напряжение прикладывается между эмиссионным электродом 6 и извлекающим электродом 7, выполненным в виде диафрагмы диаметром 82 мм. Извлекающий электрод 7, труба дрейфа 8 и коллектор 10 находятся под потенциалом «земли». Первоначально отбор электронов из эмиссионной плазмы осуществляется через ячейки эмиссионной сетки под действием электрического поля, создаваемого электродами 7 и 8. После образования анодной плазмы ускорение электронов происходит в двойном слое между границами катодной и анодной плазмы. В исходной системе источника ускоренные электроны пучка транспортируются к коллектору в магнитном поле двух катушек 9, 11, величина поля (Bz1, Bz2) в которых может достигать 100 мТл. Амплитуда и длительность импульса тока пучка задаются амплитудой и длительностью импульса тока основного дугового разряда. В качестве рабочего газа используется аргон. Давление газа в рабочей камере варьируется в диапазоне (0.6-6)•10-2 Па. Уже ставший традиционным способ генерации пучка, при котором осуществляется формирование импульсов тока пучка квазипрямоугольной формы путем зажигания похожего по форме тока разряда, заменен на новый - метод амплитудно-широтно-модулированного импульса тока пучка. Данный способ генерации электронного пучка считается перспективным именно благодаря своей простоте реализации, а также широкому кругу возможных применений. Такой способ управления мощностью электронного пучка основан на амплитудной модуляции тока дугового разряда [14] вплоть до его отключения. Одним из способов изменения тока дугового разряда в течение его импульса является использование источника электропитания с набором балластных резисторов RN (рис. 2), каждый из которых задает требуемую амплитуду тока разряда, протекающего через эти резисторы от единой конденсаторной батареи С во время открытого состояния соответствующих транзисторов VTN. В данном случае использование четырех транзисторов VTN позволяет получать 2n = 24 = 16 значений амплитуды тока пучка в течение его импульса, включая нулевое значение, что также может быть необходимо, например, при введении энергии в поверхность образца несколькими импульсами, существующими в субмиллисекундном диапазоне. Рис. 2. Схема источника электропитания дугового разряда в источнике электронов с сеточным плазменным катодом, генерирующего пучок переменной мощности в течение импульса тока пучка. rd - переменный импеданс разряда Для получения линейной характеристики управления током разряда величи́ны токозадающих резисторов выбраны следующим образом: Ri = Ri-1 / 2. Предельная величина тока дугового разряда Id = 225 А (IR1 = 15 А, IR2 = 30 А, IR3 = 60 А, IR4 = 120 А), предельная длительность импульса составляет 1 мс, амплитудная дискретность Id равна 15 А, временная дискретность составляет 10 мкс. Второй способ управления мощностью электронного пучка в течение его импульса представляет собой внедрение дополнительного сеточного электрода, перекрывающего торец полого анода со стороны эмиссионного электрода. Таким образом реализуется режим работы плазменного триода, ток пучка в котором управляется межсеточным напряжением между полым анодом и эмиссионным электродом. Алгоритм работы источника смещения для сеточного управления (рис. 3) аналогичен алгоритму работы источника для управления амплитудой дугового разряда. В этом случае имеется набор емкостных накопителей, заряженных до напряжения: UCi = UCi-1•2, к каждому из которых подключен транзистор. Амплитудная дискретность составляет 10 В, а временная дискретность - 10 мкс. Наличие в схеме источника запирающего напряжения обосновано запиранием триода только при подаче дополнительного отрицательного потенциала на эмиссионный электрод относительно полого анода. Подача смещения источником управляющего напряжения (и модуляция) в этом случае осуществляется относительно запирающего напряжения. Рис. 3. Схема подключения источника управляющего напряжения в плазменном триоде Результаты и их обсуждение На рис. 4 приведены характерные осциллограммы тока дугового разряда плазменного катода Id, тока в ускоряющем промежутке I и напряжения на ускоряющем промежутке U. Рис. 4. Осциллограммы тока разряда Id, тока пучка I0 и ускоряющего напряжения U (а) при растущей мощности пучка P (б) и плотности энергии 25 Дж/см2 Поскольку появление тока I0 приводит к снижению напряжения U, это будет приводить к снижению мощности пучка в течение импульса даже при постоянной амплитуде его тока. Однако, используя возможность изменения тока разряда Id в течение импульса, мощность пучка может быть не только постоянной, но и растущей (рис. 4). Плотность энергии пучка составляла 25 Дж/см2. Продемонстрировано контролируемое изменение мощности в ускоряющем промежутке в диапазоне 0.4-4 МВт (рис. 5 и 6) даже с учетом снижения ускоряющего напряжения в течение импульса генерации пучка. Рис. 5. Осциллограммы основных токов разрядной системы при p = 28 мПа, Bz1 = 50 мТл, Bz2 = 30 мТл, U0 = 26 кВ Динамическое малоинерционное (≈ 0.5 МВт/мкс) изменение мощности электронного пучка в течение импульса субмиллисекундной длительности (рис. 6) открывает дополнительные возможности его использования как в научных, так и в технологических целях [14]. Рис. 6. Мощность пучка в ускоряющем промежутке при p = 28 мПа, Bz1 = 50 мТл, Bz2 = 30 мТл, U0 = 26 кВ При генерации электронного пучка в триодном режиме первоначально рассмотрена ВАХ источника электронов СОЛО в отсутствие модуляции. Поведение основных токов системы при изменении управляющего напряжения представлено на рис. 7. Рис. 7. Осциллограммы основных токов разрядной системы плазменного триода при управляющем напряжении: а - Uсм = -100 В; б - Uсм = -40 В; в - Uсм = 20 В; г - Uсм = 80 В. Режим: p = 35 мПа, Bz1 = Bz2 = 30 мТл, Id = 100 А, t = 200 мкс, U0 = 15 кВ Управление током электронного пучка посредством межсеточного напряжения в данном источнике имеет некоторые особенности: 1. Задержку «переключения» тока разряда в ускоряющий промежуток при постоянных отрицательных напряжениях Uсм. 2. Изменение токов в течение импульса субмиллисекундной длительности при постоянном управляющем потенциале. 3. Фоновый ток в ускоряющем промежутке (единицы ампер) (рис. 8), ранее также наблюдавшийся в работах [15, 16]. Рис. 8. Осциллограммы основных токов источника электронов СОЛО при p = 35 мПа, Bz1 = Bz2 = 60 мТл, Id = 100 А, t = 100 мкс, U0 = 15 кВ Поскольку во временном промежутке 150-200 мкс в большинстве режимов токи и напряжения стабилизируются (однако не во всех режимах), точки ВАХ выбраны следующим образом: величина напряжения и тока на эмиссионный электрод/тока в ускоряющем промежутке выбрана как средняя величина во временном диапазоне импульса 150-200 мкс. Можно выделить четыре характерных варианта (стадии) поведения тока Iemel и тока I0, сменяющих друг друга по мере увеличения напряжения между управляющими сетками. Первая стадия при Uсм (уставка) -100 В характеризуется линейным повышением тока на эмиссионный электрод со скоростью порядка 3•104 А/с от значения, близкого к нулю. В таком режиме отсутствует явный порог начала эмиссии по времени. Ниже на рис. 10 показаны осциллограммы токов, на которых видно, что при отсутствии тока на эмиссионный электрод в ускоряющем промежутке в течение импульса происходит нарастание тока, который достигает единиц ампер - фоновый ток. Вторая стадия при Uсм (уставка) -40 В характеризуется относительно резким (3•106 А/с) повышением тока I0 после задержки и его стабилизацией за время порядка 100 мкс на определенном уровне. Третья стадия проявляется при Uсм (уставка) 20 В и характеризуется резким всплеском тока после задержки, спадом до определенного уровня с последующей стабилизацией. Переходные процессы занимают порядка 50 мкс. Четвертая стадия наблюдается при Uсм (уставка) 80 В и характеризуется минимальной задержкой тока после инициирования разряда с более высоким значением тока на эмиссионный электрод относительно предыдущих стадий. Однако характерное межсеточное напряжение, при котором реализуется тот или иной вариант развития тока в ускоряющем промежутке и тока на эмиссионный электрод, как и некоторые частности временной динамики тока, могут отличаться в зависимости от параметров генерации (магнитное поле, рабочее давление, ускоряющее напряжение, ток разряда). Характеристика управления созданным плазменным триодом представлена на рис. 9 в виде зависимостей коэффициента усиления тока разряда K0, равного отношению тока в ускоряющем промежутке I0 к общему току разряда Id: K0 = I0/Id, от межсеточного напряжения Uсм для различных рабочих давлений. Зависимости имеют сложный вид - прирост тока в зависимости от прироста управляющего потенциала имеет немонотонный характер. При потенциале перехода от третьей к четвертой стадии переключения тока на эмиссионный электрод происходит резкое повышение коэффициента K0 из разряда, затем следует область насыщения. Рис. 9. Коэффициент усиления тока разряда в зависимости от управляющего напряжения при Id = 100 A, U0 = 15 кВ, Bz1 = Bz2 = 60 мТл На рис. 10 показаны основные токи и напряжения разрядной системы при работе источника в режиме плазменного триода. Рассмотрена динамика основных токов и напряжений при амплитудной модуляции электронного пучка. В качестве модельной задавалась растущая трехступенчатая форма импульса тока в ускоряющем промежутке с длительностью ступени 30 мкс и паузами между ними 30 мкс. Управляющее напряжение между сетками Uсм в паузах использовали -50 В, во время ступеней - -35, 15 и 30 В. Рис. 10. Осциллограммы основных токов и напряжений. Режим: p = 35 мПа, Bz1 = Bz2 = 30 мТл, Id = 100 А, t = 200 мкс, U0 = 10 кВ Из осциллограмм видно, что управляющего напряжения Uсм = -50 В недостаточно для запирания тока в ускоряющем промежутке после его инициирования. Такой эффект проявляется из-за образования анодной плазмы, генерируемой самим пучком. Расширение пучковой плазмы, граница которой открыта и подвижна, и ее приближение к поверхности эмиссионного электрода повышают напряженность электрического поля в ячейках эмиссионной сетки, тем самым повышая коэффициент усиления тока разряда K0. Максимальная мощность в ускоряющем промежутке, которой удалось достичь в режиме плазменного триода, составляет 2.5 МВт (рис. 11). Режим генерации был следующий: Id = 200 A, tимп = 40 мкс, U0 = 22 кВ, p = 40 мПа, Bz1 = Bz2 = 100 мТл, Uha-emel(опорное) = -100 В, Uсм1 = -50 В, Uсм2 = 50 В. Рис. 11. Управление мощностью электронного пучка в течение импульса Ограничивающим фактором является уменьшение коэффициента Kemel (коэффициент переключения разряда, равный отношению тока на эмиссионный электрод Iemel к общему току разряда Id: Kemel = Iemel/Id) с увеличением Id, а также электрические пробои на фронте и срезе генерируемых импульсов в режимах с увеличенным током на этих участках. Также стоит отметить наличие фонового тока в ускоряющем промежутке величиной около 18 А при опорном управляющем напряжении Uha-emel(опорное) = -100 В. Заключение Таким образом, в работе продемонстрированы два способа управления мощностью электронного пучка в течение его импульса с помощью дискретного изменения управляемого параметра. В случае управления мощностью электронного пучка концентрацией эмиссионной плазмы таким параметром является амплитуда дугового разряда, в случае режима работы плазменного триода (с дополнительным сеточным электродом) этим параметром является межсеточное напряжение. Применение данных способов генерации существенно расширяет возможности импульсной электронно-пучковой обработки и, прежде всего, может быть востребовано специалистами из материаловедческой области. Кроме этого, такой подход генерации электронных пучков переменной мощности в течение импульса может быть востребован и в других областях, например, при генерации СВЧ-излучения, накачки газовых лазеров и др.

Скачать электронную версию публикации