Физические принципы построения и методы расчета газонаполненных ускоряющих систем с плазменными эмиттерами заряженных частиц тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

На правах рукописи

а-

Коваленко Юрий Алексеевич

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И МЕТОДЫ РАСЧЕТА ГАЗОНАПОЛНЕННЫХ УСКОРЯЮЩИХ СИСТЕМ С ПЛАЗМЕННЫМИ ЭМИТТЕРАМИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ.

Специальность - 01.04.08. Физика и химия плазмы.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук.

Москва - 1995 г.

Работа выполнена в ГШ РФ "Всероссийский электротехнический институт им. В.И.Ленина".

Официальные оппоненты - доктор физико-математических

наук,профессор Щанин П.М.

- доктор физико-математических наук,с.н.с. Кулешов Г.Д.

- доктор физико-математических наук,профессор Ульянов К.Н.

Ведущая организация - Институт электрофизики УрО РАН.

Защита состоится "30" мая 1995 г. в 10 часов на заседании специализированного совета Д 143.04.01 при ГНЦ РФ "ВЭИ им.В.И. Ленина" по адресу: 1П250,Москва,Красноказарменная ул.12.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНЦ РФ "ВЭИ имени В.И.Ленина".

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного советя к.т.н., с.н.с.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. Развитие научно-технического прогресса во многом определяется успехами в создании эффективных способов транспортировки энергии к объектам воздействия, среди которых особое место занимает использование потоков заряженных частиц. В настоящее время, благодаря открытию взрывной эмиссии, удается транспортировать до 106Дж за импульс, что невозможно никакими другими способами. Потребности таких бурно развивающихся областей, как вакуумная и плазменная СВЧ электроника,электронно-лучевая технология, включающая различные вида модификации поверхности, плазмохимия, генерирование мощного рентгеновского излучения и т.д. .стимулируют поиск путей увеличения транспортируемой за импульс энергии.

Решение этой проблемы на основе инжекторов со взрывной эмиссией встретило ряд непреодолимых препятствий. Прежде всего оказалась ограниченной длительность импульса пучка.

Выход из сложившейся ситуации ищут либо в ограничении скорости распространения катодной плазмы за счет магнитной изоляции, либо в отказе от использования взрывной эмиссии.

В последнем случае в качестве источника заряженных частиц (электронов) рассматриваются традиционные термоэмиттеры,плазменные эмиттеры и эмиттеры, использующие вторичную ион-электронную эмиссию.

з

Эти источники принципиально позволяют генерировать электронные потоки произвольной длительности, но существенно уступают устройствам, основанным на взрывной эмиссии,как по величине полного тока,так и по его плотности. Успехи, достигнутые в разработке данных типов эмиттеров,позволили довести энергию в импульсе до 105Дж при длительности импульса ЮОмкс.

Использование квазистационарных (длинноимпульсных) пучков расширяет круг физических явлений,возникающих при их взаимодействии с различными средами, и стимулирует поиск новых путей генерирования и формирования таких пучков.

Обилие экспериментальных работ по генерированию квазистационарных электронных пучков в различных инжекторах создает впечатление, что проблема в принципе решена. Однако все обстоит значительно сложнее.

При проектировании инжекторов, формирующих сильноточные (высокопервеансные) квазиставдонарные электронные пучки, используются методы расчета вакуумных электронно-оптических систем (ЭОС), которые интенсивно разрабатывались последние сорок лет. В реальных ЭОС,формирующих квазистационарные пучки,всегда присутствует остаточный газ. Образующиеся в процессе ионизации газа ионы не только количественно, но и качественно изменяют распределение пространственного заряда в инжекторе.Это приводит к изменению электронно-оптических характеристик формируемых пучков даже при небольших давлениях заполняющего газа и, как следствие, к росту аберрационной температуры. Кроме того, на выходе из квазистационарных инжекторов почти всегда присутствует плазма, положение и форма границы которой также влияют на электронно-оптические характеристики пучка.

К началу настоящих исследований метода расчета ЭОС с газовым наполнением не были разработаны. Не существовало и не существует в настоящее время (в части анализа) программных комплексов, позволяющих корректно, на инженерно - физическом уровне, рассчитывать газонаполненные ЭОС реальных приборов. Если эта проблема будет успешно решена,то станет возможным не только корректный расчет известных ЭОС, но и создание принципиально новых газонаполненных систем формирования квазистационарных электронных пучков с высокой плотностью тока (порядка

I кА/см^) и минимальными углами расходимости.

Как уже отмечалось, для создания высокопервеансных квазистационарных электронных пучков необходимо решить проблему эмиссии. В качестве эмиттера наиболее широко используются термоэмиссионные катоды. Однако они обладают рядом недостатков. При переходе от экспериментальных, исследований к практическому использованию инжекторов с термоэмиттерами становится очевидным несоответствие стационарного разогрева термокатода импульсному режиму отбора электронов. Даже при успешном решении инженерных проблем нагрева крупногабаритных катодов чрезвычайно острой остается задача компрессии благодаря невысокой средней плотности тока эмиссии (<* 10 А/см2 ).

В последнее время для решения проблемы квазистационарной эмиссии стали применять плазменные эмиттеры электронов. Для современной техники газового разряда не представляет сложности создание квазистационарной плазмы с концентрацией электронов *1013см~^,что соответствует плотности хаотического электронного тока в плазме-З^ЮОА/см2. Это позволяет надеяться на создание высокоэффективных эмиттеров электронов.

В плазменных эмиттерах возможно осуществление импульсного режима работы,что дает существенный выигрыш в средней мощности, затрачиваемой на получение необходимого потока электронов, по сравнению с термоэмиттерами. Немаловажным достоинством плазменных эмиттеров является возможность безынерционного управления током эмиссии при неизменной энергии ускоряемых электронов и малых затратах мощности систем питания.

Благодаря нечувствительности плазменных эмиттеров к ионной бомбардировке, устраняется проблема отравления эмиттера, чрезвычайно острая для термоэмиттеров.

К моменту постановки задачи диссертации практические достижения в разработке плазменных эмиттеров явились преимущественно результатом эмпирического поиска и искусства экспериментаторов. Значительный прогресс в этой области связан с работами | ю.ц.крейнделя!, его сотрудников и учеников. Однако до настоящего времени основные вопросы физики квазистационарной эмиссии электронов из плазмы газовых разрядов остаются малоизученными, что не позволяет полностью реализовать потен-

циальше возможности плазменных эмиттеров.

• Существует еще один путь получения квазистационарных электронных пучков, основанный на использовании в качестве источника электронов высоковольтного тлеющего разряда (ВТР).

Преимущества получения интенсивных пучков с помощью ВТР очевидны - отпадает необходимость подвода стационарной мощности для подогрева катода. Наличие границы плазмы вблизи анода ускорителя позволяет надеяться на устранение анодных аберраций.

Однако этот метод имеет и ряд недостатков. Достигнутые на момент начала наших исследований средние плотности тока на катоде и разрядные напряжения сравнительно невелики (Зср < 1 А/см2, и < 100 кВ). Отсутствуют методы расчета ЭОС вФ и все вопросы формирования пучков решаются экспериментально.

Таким образом, решение перечисленных задач, неразрывно связанное с разработкой методов расчета газонаполненых ЭОС, является актуальным.

Изложив основные проблемы, стоящие на пути создания квазистационарных сильноточных инжекторов электронных пучков, сформулируем цели настоящей работы и пути их достижения.

Целью настоящей работы является теоретическое и экспериментальное обоснование физических принципов построения и методов расчета газонаполненных ускоряющих систем с плазменными и другими видами эмиттеров, формирующих квазистационарные сильноточные электронные пучки.

Для достижения намеченной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Исследовать физику возмущения плазмы газового разряда низкого давления электронным коллектором, на который отбирается ток электронов,сравнимый с током разряда,и построить теоретические модели плазменного эмиттера с сеточной стабилизацией;

2. Создать макеты инжекторов с плазменными эмиттерами, исследовать их эмиссионные свойства и экспериментально обосновать физические модели извлечения и ускорения электронов из плазмы газовых разрядов низкого давления.

3. Разработать методы и алгоритмы расчета ускоряющих систем с газовым наполнением. Создать автоматизированный программный комплекс, позволяющий рассчитывать двухмерные газонапол-

ненные ускоряющие системы с любой геометрией электродов и любым типом эмиттеров (в том числе -плазменных). Провести с его помощью исследования различных ускоряющих систем.

4. Теоретически исследовать компрессию сильноточных электронных пучков с низкой плотностью тока эмиссии поперечным электрическим полем и доказать экспериментально возможность создания ускорителя с электростатическим компрессором.

5. Разработать и экспериментально обосновать физические принципы построения и методы расчета ускоряющих систем на основе высоковольтного тлеющего разряда.

Метод исследования. Использовался комплексный подход к решению поставленных задач,включающий физические эксперименты и анализ их результатов на простых физических моделях,построение адекватных теоретических моделей исследуемых явлений,разработка алгоритмов расчетов, численные решения и сравнение с результатами экспериментов. В экспериментах применялись известные и специально разработанные,взаимно дополняющие зондо-вые, электрические и оптические методики.

Достоверность результатов подтверждается систематическим характером экспериментальных исследований,хорошим совпадением результатов, полученных разными методами, удовлетоворительным согласием теоретических и экспериментальных результатов, сопоставлением полученных результатов с результатами других исследователей.

При разработке программного комплекса для расчета двухмерных газонаполненных ускоряющих систем проводилось сравнение полученных в ходе численных экспериментов результатов с результатами расчетов по более точным одномерным кинетическим моделям и с результатами экспериментов.

Научная новизна результатов исследований и выводов определяется тем,что впервые:

I.Проведен теоретический анализ физики стационарной эмиссии электронов из плазмы газового разряда в отсутствие магнитного поля. Определены критерии, выполнение которых обеспечивает существование насыщения электронного тока коллектора и стабилизацию возмущений газового разряда низкого давления (кнуд-сеновский режим). Показано, что эти критерии зависят от спосо-

ба реализации эмиссии, от свойств газового разряда, от давления и рода газа. Площадь собирающей электроны поверхности - ? должна удовлетворять условию Ре< Г-(Зр/Зг). где Р-площадь поперечного сечения разряда, 3 - плотность тока разряда. Давление вблизи коллектора должно удовлетворять критерию р < р^, где р^ определяется приближенно из условия интегральной квазинейтральности слоя пространственного заряда для выбранного рода газа.

2.Предложена теоретическая модель плазменного эмиттера с сеточной стабилизацией, в котором используется разряд с горизонтальной вольт-амперной характеристикой. Данный тип эмиттера обладает преимуществом, благодаря наличию обратной связи, препятствующей самопроизвольному росту тока коллектора. С увеличением разности потенциалов между плазмой и анодом (благодаря возмущению тока разряда) электроны поступают в ускоряющий промежуток через возросший потенциальный барьер и с меньшей поверхности плазмы. Показана возможность создания квазистационарного эмиттера с сеточной стабилизацией на основе тлеющего разряда с полым катодом при плотности тока эмиссии 100 А/см2.

3.Экспериментально показано, что извлечение электронов из плазмы в кнудсеновском режиме не приводит к росту ее концентрации и температуры электронов, а сопровождается лишь изменением разности потенциалов между плазмой и анодом (благодаря незначительному увеличению тока разряда), если выполнены критерии стабилизации эмиссии.

Первеанс ускоряющего промежутка определяется давлением газа, концентрацией плазмы в пространстве дрейфа и может существенно превышать вакуумный первеанс при сохранении удовлетворительного качества пучка. Обнаружена неустойчивость электронного пучка и плазмы в разряде, возникающая когда плотность тока эмиссии превышает величину, определяемую первеансом газонаполненного диода.

4. Разработаны алгоритмы расчета методом анализа газонаполненных ускоряющих систем с плазменными эмиттерами, которые позволяют учесть взаимодействие ускоряемых частиц с газовым наполнением в двухмерной геометрии.

5. Исследованы ускорение и формирование электронного пучка в газонаполненном триоде с плотностью тока эмиссии =« 100 А/см2. Показана возможность компрессии пучка во втором каскаде триода благодаря наличию протяженной области с избыточным положительным пространственным зарядом.

6. Предложена и исследована ионно-оптическая система с плазменным эмиттером, позволяющая формировать ионные пучки с малой расходимостью при значительном (от 10 кВ до 100 кВ) изменении ускоряющего напряжения без изменения тока пучка.

7. Предложен и экспериментально исследован способ компрессии пучка с низкой плотностью тока эмиссии (до 10 А/см2) поперечным электрическим полем в устройстве, названном электростатическим компрессором, форма электродов которого определяется током пучка и его энергией. В условиях оптимального согласования компрессора с ускоряющим промежутком не наблюдалось развитие неустойчивости, и был сформирован пучок с энергией 200 кВ и током - 240 А.

8. Разработаны методы расчета двухмерных электронно-оптических систем ВТР,корректность которых подтверждена сравнением с результатами экспериментов. Обнаружено нарушение принципа подобия, вызванное двухмерностью рассмотренных электронно-оптических систем ВТР. Создан и экспериментально исследован ускоритель на основе ВТР,который позволил получить электронный пучок с током до 20 А и энергией до 100 кВ при средней плотности тока на катоде до 1,5 А/см2.

Практическая значимость работы.

Экспериментально обоснованные принципы извлечения и ускорения электронов из плазмы газовых разрядов позволяют создавать квазистационарные плазменные эмиттеры с плотностью тока =< 100 А/см2,значительно превышающей плотность тока термоэмиттеров .

Программный комплекс "BEAM-CAD", разработанный для расчета ускоряющих систем с газовым наполнением,позволяет проектировать с помощью ЭВМ новые типы приборов,которые ранее можно было создавать только в ходе трудоемких и тщательных экспериментов.

Представленные в работе результаты исследований ускорителя с электростатическим компрессором позволили обосновать метод формирования сильноточных релятивистких электронных пучков с высокой яркостью путем их электростатической компрессии и показать, что, несмотря на использование эмиттеров с низкой

величиной ЗпГ1(до 10 А/см2), возможно формирование пучков с то-ср

ком до 0,5 кА.

Экспериментально обоснованные физические принципы построения и методы расчета ускоряющих систем на основе высоковольтного тлеющего разряда позволяют создавать ускорители и новые типы технологических пушек ВТР широкого назначения.

Апробация. Результаты работы докладывались на III Международной конференции по мощным электронным и ионным пучкам. Новосибирск,1979. IV,V,VI Всесоюзных симпозиумах по сильноточной электронике.Томск,1982,1984,1986 гг. VI Всесоюзной конференции по физике низкотемпературной плазмы.Ленинград,1983г. V Всесоюзном симпозиуме по ненакаливаемым катодам.Томск,1985 г.

Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 33 работах. Основные результаты содержаться в работах, список которых приведен в конце автореферата.

Личный вклад автора. Общий анализ проблемы.Постановка задач и проведение всех теоретичесих и экспериментальных исследований, представленных в работе. Разработка основных конструктивных решений макетов экспериментальных инжекторов. Разработка методов расчета и большинства алгоритмов комплекса "BEAM-CAD". Все результаты, составляющие научную новизну диссертации и выносимые на защиту, получены автором лично.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложения. Во введении обосновывается актуальность проблемы, формулируется цель и задачи работы, дается краткое содержание, подчеркивается научная новизна, обосновывается практическая значимость работы, приводятся результаты,выносимые на защиту, указывается личный вклад автора. В первой главе проведен анализ возмущения плазмы электронным коллектором и рассмотрены теоретические модели плазменных эмиттеров с сеточной стабилизацией. Во второй главе изложены результаты экспериментальных

исследований плазменных эмиттеров. В третьей и четвертой главах описаны основные алгоритмы программного комплекса "BEAM -CAD" и результаты численных экспериментов с различными электронно-оптическими и ионно-оптическими системами. В пятой главе рассмотрены результаты теоретических и экспериментальных исследований ускорителя с электростатической компрессией пучка. Шестая глава посвящена исследованию инжекторов на основе высоковольтного тлеющего разряда. В приложении приведена инструкция к программному комплексу "BEAM-GAD".

Работа изложена на 443 страницах и содержит 274 страницы основного текста, 114 страниц с рисунками и таблицами, список литературы из 265 наименований и приложение.

На защиту выносятся следующие положения:

I.Условия стабилизации стационарной эмисси электронов и формирования ускоренного электронного пучка в кнудсеновском режиме, вид которых зависит от характеристик используемого газового разряда, способа реализации эмиссии,от давления и рода газа. Отношение площади собирающей электроны поверхности к площади поперечного сечения разряда должно быть меньше отношения плотности тока разряда к плотности хаотического электронного тока в плазме. Давление вблизи коллектора должно удовлетворять критерию р < р , где р^ определяется приближенно из условия интегральной квазинейтральности слоя пространственного заряда для выбранного рода газа.

' 2.Теоретическая модель стационарного плазменного эмиттера с сеточной стабилизацией, учитывающая эмиссию электронов через слой положительного пространственного заряда у анода. Результаты расчетов, показывающие определяющую роль отношения толщины ленгмюровского слоя положительного пространственного заряда у анода к размеру ячейки сетки и свидетельствующие о возможности реализации квазистационарного эмиттера с сеточной стабилизацией на основе тлеющего разряда с полым катодом при плотности тока эмиссии до 100 А/см2.

3.Результаты экспериментальных исследований эмиссии электронов из плазмы тлеющего разряда с полым катодом, позволившие показать, что:

а Извлечение электронов из плазмы не приводит к росту ее концентрации и температуры электронов, а сопровождается лиш изменением разности потенциалов между плазмой и анодом, есл! выполнены условия стабилизации возмущений;

б)вид вольт-амперных характеристик диода с плазменный эмиттером определяется давлением газа, концентрацией плазмы i пространстве дрейфа, а первеанс может существенно превышай первеанс вакуумного диода;

в)при достаточно низком давлении Тор) в плазме рае

ряда и электронном пучке развивается неустойчивость.если пло! ность тока эмиссии превышает величину,определяемую первеансо^ газонаполненного диода.

4.Макет плазменного эмиттера с сеточной стабилизацией не основе сильноточного тлевдего разряда с полым катодом, обеспе

О

чивающий среднюю плотность тока эмиссии до бОА/см при полном токе - 30 А. МногопучкоЕЫй инжектор с плазменным катодом и се точной стабилизацией,предельные параметры которого (ток пучка 120 А при ускорящем напряжении 100 кВ) определяются не эмиссионной способностью катода 400 А), а неустойчивостью пучка в пространстве дрейфа.

5.Программный комплекс "BEAM-CAD".который позволяет рассчитывать методом анализа двухмерные газонаполненные ускоряющие системы с любой геометрией электродов и различными типами эмиттеров (в том числе - системы с плазменными эмиттерами и системы на основе ВТР). Результаты численных экспериментов по формированию пучков заряженных частиц в различных ускоряющих системах, подтвержденные экспериментальными данными.

6.Результаты теоретического исследования ускорения и фор мирования электронного пучка в газонаполненном триоде с плотностью тока эмиссии »100 А/см2,показывающие возможность компрессии пучка во втором каскаде триода благодаря наличию протяженной области с избыточным положительным пространственным зарядом.

7. Теоретически и экспериментально исследованный способ компрессии пучка с низкой плотностью тока эмиссии (до ЮА/см" поперечным электрическим полем в устройстве, названном электростатическим компрессором, форма электродов которого опреде-

ляется током пучка и его энергией.

8.Экспериментально обоснованные физические принципы построения и метода расчета ускоряющих систем на основе высоковольтного тлеющего разряда. Результаты исследований макета инжектора на основе ВТР, позволившие показать, что:

а) достигнутая средняя плотность электронного тока на катоде - 1,5 А/см2 не является предельной для ВТР;

б) имеет место нарушение принципа подобия из-за двухмер-ности ЭОС инжектора.

Содержание работы.

В первой главе проведен анализ возмущения плазмы электронным коллектором, на который отбирается ток,сравнимый с током разряда.

Основная трудность создания квазистационарного плазменного эмиттера заключается в наличии отрицательного анодного падения у большинства газовых разрядов низкого давления без магнитного поля. В этом проявляется асимметрия плазмы по отно-ношению к экстракции электронов и ионов. Значительный сток электронов из объема плазмы при высокой эффективности эмиссии может вызвать возмущение параметров плазмы. Следовательно, необходимо учитывать возмущение плазмы при экстракции электронов и встает вопрос о стабилизации. Сущность стабилизации сводится к поиску таких условий извлечения и ускорения электронов, при которых возмущения не достигают критического уровня, не приводят к неограниченному росту тока разряда,концентрации и потенциала плазмы.

Наиболее общим феноменологическим условием получения ускоренного электронного пучка можно считать рост кинетической энергии электронов с увеличением ускоряющего напряжения. Для традиционной схемы плазменного эмиттера с извлечением электронов через отверстие в аноде из этого условия следует, что при увеличении ускоряющего напряжения - V должна быть ограничена скорость роста тока коллектора -1^, тока анода -I и потенциала плазмы. В частности, для газового разряда с горизонтальной вольт-амперной характеристикой <р =сопз1;, следователь-

но, получение ускоренного электронного пучка возможно при наличии насыщения (dl^/dlMD).

Анализ уравнения непрерывности тока разряда при Зр/Jp = const в невозмущенной области плазмы и максвелловской функции распределения электронов позволил получить вольт-амперную характеристику коллектора и определить условия, необходимые для существования насыщения электронного тока коллектора и стабилизации возмущений газового разряда низкого давления (кнудсеновский режим). Если параметры плазмы однородны по сечению разряда, то площадь собирающей электроны поверхности должна удовлетворять условию Fg< F(dp/dr). В этом случае вблизи коллектора возможно формирование слоя отрицательного пространственого заряда, ускоряющего электроны.

Учет влияния на формирование слоя ионизации газа ускоряемыми электронами показывает, что давление вблизи коллектора должно удовлетворять критерию р < ркр, где р^ определяется приближенно из условия интегральной квазинейтральности слоя пространственного заряда для выбранного рода газа. Если не удается выполнить условие р < р , то необходимо подать напряжение на коллектор достаточно быстро (Тф< I мкс) или до зажигания разряда.

Эти результаты легли в основу теоретической модели плазменного эмиттера с сеточной стабилизацией,в котором используется разряд с горизонтальной вольт-амперной характеристикой. Показано, что данный тип эмиттера обладает рядом преимуществ благодаря наличию обратной связи,ограничивающей самопроизвольный рост тока коллектора за счет стабилизации площади эмитти-рующей поверхности плазмы. Кроме того, сетка препятствует проникновению электрического поля в область разряда и изменению размеров слоя.

На механизм сеточной стабилизации существенное влияние оказывает отношение толщины ленгмюровского слоя к размеру ячейки сетки. С увеличением разности потенциалов между плазмой и анодом (благодаря возмущению тока разряда) электроны поступают в ускоряющий промежуток через возросший потенциальный барьер и с меньшей поверхности плазмы.

В теоретической модели эмиттера с сеточной стабилизацией использовалось уравнение непрерывности в общем виде с учетом эмиссии электронов через слой положительного пространственного заряда у сетчатого анода и уравнение Пуассона,определяющее размер слоя и распределение потенциала в нем с учетом влияния пространственного заряда ионов и электронов. Совместное решение этих уравнений позволяло определить возмущение разности потенциалов между плазмой и анодом, возмущение тока разряда и величину тока коллектора при заданной величине отношения и заданной геометрии сетчатого анода.

Проведен численный расчет, который показал возможность реализации квазистационарного эмиттера с сеточной стабилизацией на основе тлеющего разряда с полым катодом при плотности тока эмиссии до 100 А/см2.

Во второй главе изложены результаты экспериментальных исследований извлечения электронов из плазмы сильноточных разрядов с полым катодом.

Определена зависимость параметров плазмы от тока разряда и давления. Показано,что концентрация плазмы растет пропорционально току разряда, а отношение плотности хаотического электронного тока в плазме к плотности тока разряда постоянно при неизменном давлении, достаточно мало иг/Зр * 2,5-5) и слабо уменьшается с ростом давления газа, что связано с наличием группы быстрых электронов в разряде с полым катодом. Полученные результаты использованы в теоретической модели плазменного эмиттера с сеточной стабилизацией.

Экспериментально показано существование плазмы за сеткой в ускоряющем зазоре до включения ускоряющего напряжения.

Извлечение электронов из плазмы в кнудсеновском режиме с включением ускоряющего напряжения не приводит к росту ее концентрации и температуры электронов, а сопровождается лишь изменением разности потенциалов между плазмой и анодом (благодаря незначительному увеличению тока разряда), если выполнены условия стабилизации эмиссии. Результаты экспериментов удовлетворительно согласуются с расчетами.

Теоретически и экспериментально определен вид вольт-амперных характеристик газонаполненного диода с плазменным ка-

тодом. Показано, что первеанс ускорящего промежутка определяется давлением газа, концентрацией плазмы в пространстве дрейфа и может существенно в 10 раз) превышать вакуумный первеанс при сохранении удовлетворительного качества пучка.

В ходе экспериментального исследования макета пушки с плазменным эмиттером обнаружено два вида неустойчивостей, определяемых плотностью тока в пучке и давлением газа.

Если давление в пространстве дрейфа достаточно мало (=* Ю-5 Тор), то с уменьшением ускоряющего напряжения в разряде и в пучке возможно возникновение релаксационных колебаний. Это происходит, когда величина плотности тока, определяемая первеансом, становится меньше плотности тока эмисси. Анализ параметров плазмы в этом случае показал,что наблюдаемые колебания, по-видимому, связаны с развитием неустойчивости типа виртуального катода, которая приводит к нарушению работы эмиттера и пробою в ускоряющем промежутке.

Если давление в пространстве дрейфа достаточно велико 10-4Тор), то там возможно развитие неустойчивости типа плаз-менно-пучкового разряда при определенной величине плотности тока в пучке. Эта неустойчивоть не приводит к нарушению работы эмиттера.

Экспериментально подтверждена возможность реализации квазистационарной эмиссии электронов в отсутствие стабилизирующей сетки, если выполнены критерии стабилизации эмиссии.

Теоретические и экспериментальные исследования макета пушки с плазменным эмиттером позволили создать многопучковый инжектор с плазменным катодом и сеточной стабилизацией. Приведены результаты экспериментов по формированию электронных пучков в инжекторе и показано, что его предельные параметры (ток пучка 120 А при ускоряющем напряжении 100 кВ) определяются не эмиссионными характеристиками катода (■* 400 А), а неустойчивостью в пространстве дрейфа (Р * 10~4Тор).

Предложен и теоретически исследован инжектор с бессеточной стабилизацией на ток до 400А при ускоряющем напряжении до 100 кВ со средней плотностью тока =< 100 А/см2,обладающий достаточно низким давлением в пространстве дрейфа Ю-^ Тор), что исключает развитие неустойчивости.

В третьей главе описаны основные алгоритмы программного комплекса "BEAM-CAD", разработанного для расчета методом анализа газонаполненных ускоряющих систем с плазменными эмиттерами заряженных частиц.

Одним из основных этапов расчета любых ускоряющих систем методом анализа является численное решение уравнения Пуассона с заданными граничными условиями в сложных геометрических областях. В комплексе "BEAM-CAD" использован разностный метод последовательной верхней релаксации.

Для определения плотности пространственного заряда применен метод недеформируемых "трубок тока".

Выбор этих методов вызван их наибольшей простотой и надежностью получаемых результатов при минимальных вычислительных затратах.

Учет взаимодействия ускоряемых частиц с газом осуществлялся решением уравнения непрерывности для каждой "трубки тока" при ее прохождении в окрестности каждого узла расчетной области. В уравнениях непрерывности учитывались образование и гибель частиц в результате ионизации газа (электронами, быстрыми ионами и нейтралами) и в результате перезарядки быстрых ионов (с выполнением закона сохранения заряда). Предполагалось, что вновь образующиеся в результате ионизации газа ионы и медленные ионы, возникшие в процессе перезарядки, имеют нулевые начальные скорости. Потери энергии быстрых частиц в актах неупругих столкновений не учитывались (приближение "сильного поля").

Изложен метод решения уравнений движения электронов и ионов, отличающийся малыми вычислительными затратами при сохранении требуемой точности решения благодаря автоматическому определению шага интегрирования по времени. Это особенно актуально при рассмотрении движения ионов,так как число ионных "трубок тока" порядка числа узлов сетки.покрывающей расчетную область. Вычисление электрических полей для уравнения движения проводилось с использованием сплайн-аппроксимации, обеспечивающей непрерывность полей на границах окрестностей узлов.

В ходе создания комплекса "BEAM-CAD" разработаны также:

а) алгоритм нахождения самосогласованного положения и формы границы плазменных эмиттеров;

б) алгоритм графического ввода и автоматического анализа геометрии ускоряющей системы с вычислением разностных коэффициентов для уравнения Пуассона;

в) алгоритм вычисления фазовой диаграммы и эмиттанса пучка и ряд других алгоритмов.

На основе изложенных алгоритмов создан автоматизированный программный комплекс "ВЕАМ-САБ" для ПЭВМ.который позволяет рассчитывать двухмерные газонаполненные ускоряющие системы с произвольной геометрией электродов и плазменными эмиттерами заряженных частиц.

В результате численных экспериментов показано,что выбранные методы решения дают хорошее количественное согласие с точными решениями для одномерных задач и,что особенно важно, позволяют получать решения на многозонных сетках с небольшим числом разбиений. Сравнение расчета с экспериментом свидетельствует об удовлетворительном согласии полученных результатов.

Четвертая глава посвящена изложению результатов расчета ряда ускоряющих систем с помощью программного комплекса "ВЕАМ-САБ". Показана возможность ускорения и формирования электронного пучка с высокой плотностью тока эмиссии 100 А/см2) в газонаполненном триоде. Обжатие пучка во втором каскаде триода осуществляется благодаря наличию протяженной области с избыточным положительным пространственным зарядом. В этой области пучок под действием собственного магнитного поля приобретает поперечную скорость, направленную к оси пучка, которая затем гасится на выходе из ускорителя благодаря действию сил собственного пространственного заряда пучка и дефокусирующему свойству анодной линзы.

Проведено также численное моделирование ионно-оптической системы, позволяющей создавать ионный пучок с малой расходимостью при значительном изменении ускоряющего напряжения благодаря применению эмиссионного электрода с потенциалом, близким к потенциалу плазмы.

В заключение четвертой главы приведены результаты исследований по формированию электронных пучков в инжекторах с маг-

нитно-периодической фокусирующей системой (МПФС), анодной плазмой и газовым наполнением. Показано, что предложенная 300 удовлетворяет весьма жестким требованиям согласования пучка с МПФС (максимальный угол расходимости пучка <1,5°) и обеспечивает его устойчивую транспортировку в уловиях реального плаз-менно-наполненного прибора. Полученные результаты подтверждены сравнением с данными эксперимента.

В пятой главе рассмотрены теоретические и экспериментальные исследования ускорителя с электростатической компрессией пучка. Показана возможность компрессии кольцевого пучка с низкой плотностью тока эмиссии поперечным электрическим полем в устройстве, названном электростатическим компрессором. Найдена форма электродов компрессора, которая зависит от тока пучка, его энергии, температуры и обеспечивает вывод пучка на радиус, близкий к равновесному.

Описана конструкция ускорителя и результаты экспериментов, которые подтверждают правильность разработанной методики расчетов ускорителей с электростатической компрессией и показывают возможность получения в таких устройствах сильноточных релятивистских электронных пучков с высокой яркостью при соблюдении чрезвычайно жестких требований к точности изготовления ЭОС.В ходе экспериментов сформирован пучок с током 240А и энергией - 200 кэВ.

Шестая глава посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию инжекторов на основе высоковольтного тлеющего разряда. Построены упрощенная гидродинамическая и кинетическая одномерная модель области катодного падения потенциала ВТР, учитывающая вклад электронов в пространственный заряд. Решена в диффузионном приближении задача замыкания ВТР с учетом ионизации газа максвелловскими электронами анодной плазмы.

На основе кинетической модели области катодного падения и диффузионного замыкания определены вольт-амперные характеристики ВТР, показана принципиальная возможность получения плотностей электроного тока в ускоряющих системах на основе ВТР,превышающих плотности тока с катода в аналогичных вакуумных системах, работающих в режиме ограничения пространственным зарядом, при ускоряющих напряжениях > 100 кВ.

Результаты теоретических исследования и рассмотрение конструктивных особенностей ускорителей на основе ВТР позволили предложить конкретную схему ускорителя (ВТР-300),отличающегося благодаря секционироанию достаточно большими рабочими давлениями (до 0,14 Тор). Ускоритель должен обеспечить получение относительно тонких электронных пучков с током « 20 А и энергиями »100+150 кэВ.

Разработан алгоритм и методика расчета двухмерных ЭОС на основе ВТР,которые реализованы в программном комплексе "BEAM-CAD". Впервые методом анализа расчитаны ЭОС конкретных ВТР ускорителей. Показано нарушение законов подобия из-за двумерно с ти системы. Отмечено различие в распределении потенциала на оси для одномерных и двухмерных моделей ускорителя ВТР-300, которое в условиях эксперимента должно ограничивать величину тока пучка. Проведен анализ ЭОС пушки ВТР 200-300/25 и выявлены причины, определяющие ее электронно-оптические свойства.

Создан экспериментальный ускоритель электронов на основе ВТР (ВТР-300).позволяющий получать пучки с током до 20 А и энергиями до 100 кэВ при средней плотности тока на катоде до 1,5 А/см2. В ходе экспериментальных исследований ускорителя ВТР-300 измерена концентрация и температура электронов плазмы в анодной полости, получены вольт-амперные характеристики и проведено корректное сравнение ВАХ с результатами численного эксперимента. Исследованы геометрические характеристики пучка в заанодной области ускорителя. Показана возможность формирования тонких {=>2 мм) пучков на короткой длине. Получено удовлетворительное согласие с теоретическим анализом поведения пучка по программному комплексу "BEAM-CAD". Обнаружена неустойчивость пучка в заанодной области, возникающая при больших протоках рабочего газа и увеличении длины пространства дрейфа.

В приложении приведена инструкция к программному комплексу "BEAM-CAD".

Заключение.

В целом работа представляет собой теоретическое и экспериментальное обоснование новых представлений о физике эмиссии

электронов из плазмы и формировании электронных пучков в ускоряющих системах с газовым наполнением.

Основные результаты исследований можно сформулировать следующим образом.

I.Определены условия стабилизации стационарной эмиссии электронов и формирования ускоренного электронного пучка из плазмы газовых разрядов в кнудсеновском режиме. Предложена теоретическая модель плазменного эмиттера с сеточной стабилизацией, справедливость которой подтверждена экспериментальными результатами автора и других исследователей. Показана возможность создания квазистационарного эмиттера на основе тлеющего разряда с полым катодом при плотности тока эмиссии =*Ю0 А/см2.

2.Разработан программный комплекс "BEAM-CAD", который не имеет аналогов и позволяет рассчитывать методом анализа двухмерные газонаполненные ускоряющие системы с любой геометрией электродов и различными типами эмиттеров (в том числе - системы с плазменными эмиттерами и системы на основе ВТР).

3.Показана возможность ускорения электронного пучка с высокой плотностью тока эмиссии (=* 100 А/см2) и малым равновесным радиусом в газонаполненном триоде. Одновременно с ускорением возможна компрессия пучка с выводом на радиус, близкий к равновесному. Данный тип ускорителя является наиболее перспективным при формировании квазистационарных электронных пучков с высокой яркостью в устройствах с плазменными эмиттерами электронов.

4.Предложен и эксперименально исследован способ компрессии пучка с низкой плотностью тока эмиссии 10 А/см2) поперечным электрическим полем в устройстве.названном электростатическим компрессором, форма электродов которого определяется током пучка,его энергией и температурой. В условиях оптимального согласования компрессора с ускоряющим промежутком не наблюдалось развитие неустойчивости, и был сформирован пучок с энергией 200 кВ и током - 240 А.

5.Разработаны методы расчета двухмерных электронно-оптических систем ВТР,корректность которых подтверждена сравнением с результатами экспериментов. Обнаружено нарушение принципа подобия в двухмерных устройствах на основе ВТР. Созданный

на основе ВТР ускоритель позволил получить электронный пучок с током до 20 А и энергией до 100 кВ при средней плотности тока до 1,5 А/см2, что не является пределом для ВТР.

Полученные результаты позволяют выйти на качественно новый уровень параметров плазменных электронно-лучевых приборов и удовлетворить потребности таких бурно развивающихся областей, как СВЧ электроника, электронно-лучевая технология,включающая различные виды модификации поверхности, плазмохимия, передача электрической энергии и т.д.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1.Glebov Y.V., DzaguroY L.Yu., Zavjalov M.A. Kovalenko Yu.A., Nagutchev O.Yu..Novichkoy D.N. at all.Studies oi the formation of high-current quaaistationary electron beams ln the presence oi ions in accélérations and décélérations electo-optlcal system.//Proc.3-rd Inter.Topical Conf.on High Power Electron and Ion Beam. Novo3iMrsk.1979. V II.P.585-592.

2.Власов M.A., Коваленко Ю.А., Малафеев O.A., Никонов C.B. Магнитная компрессия релятивистского электронного пучка.// РЭ.1981.26.II.С.2370-2373.

3.Коваленко Ю.А.,Лошков И.В.,Тосунян Г.А. Электростатическая компрессия пучков в узких каналах.//РЭ.1985.30.8.С.I6II-I6I9.

4.Жаринов А.В., Коваленко Ю.А. К теории электронных коллекторов в газовом разряде.//ЖГФЛ986.56.4.С.681-686.

б.Жаринов А.В..Коваленко Ю.А.,Роганов И.О..Тюрюканов П.М. Плазменный эмиттер электронов с сеточной стабилизацией.I. //ЖТФ.1986.56.1.С.66-71.

6.Жаринов А.В. .Коваленко Ю.А..Роганов И.С. Плазменный эмиттер электронов с сеточной стабилизацией.//Труды VI Всес.конф.по физике низкотемпературоной плазмы. Ленинград.1983.С.429-431.

7.Жаринов А.В., Коваленко D.A., Роганов И.О., Тюрюканов П.М. Плазменный эмиттер электронов с сеточной стабилизацией.II. //ЖТФ.1986.56.4.С.687-693.

8.Жаринов А.В., Коваленко Ю.А., Роганов И.О., Тюрюканов П.М. Плазменный эмиттер электронов с сеточной стабилизацией(теория). //Труды V Симпозиума по ненакаливаемым катодам. Томск. I985.C.I39-I4I.

Э.Жаринов A.B..Коваленко Ю.А. К теории электронных коллекторов в газовом разряде, (там же).С.142-143.

Ю.Жаринов A.B., Коваленко Ю.А., Роганов И.С., Тюрюканов n.M. Плазменный эмиттер электронов с сеточной стабилизацией (эксперимент), (там же).С.144-146.

П.Жаринов A.B..Коваленко Ю.А..Кудрявцев И.В..Роганов И.О., Шумилин В.П. Многопучковый инжектор с плазменным эмиттером электронов.//Пучково-плазменные процессы в электронно-лучевой аппаратуре промышленного применения./Сб.научных трудов под ред. В.И.Переводчикова.1994.С.144-151.

12.Коваленко Ю.А.,Роганов И.С. Методики измерений параметров плазмы в ускорителе электронов с плазменным катодом, (там же) C.I62-I7I.

13.Власов М.А.,Ельчин Ю.А..Коваленко Ю.А.,Рыхлов А.В.,Сафонов В.А. Магнитная периодическая фокусирующая система для транспортировки электронного пучка в протяженном плазменном канале.//ПТЭ.1995.3.

14.Гавриков К.В..Горбылев Е.С..Коваленко Ю.А. и др. Упрочнение маслосъемных поршневых колец имплантацией ионов азота. //Труды III Международной конф. по электронно-лучевым технологиям. Варна.1991.С.499-504.

15.Дзагуров Л.Ю.Даринов А.В.,Коваленко Ю.А.Несамостоятельный высоковольтный тлеющий разряд между сферическими электродами .//ТВТ.I980.18.4.С.682-689.

16.Коваленко Ю.А., Шумилин В.П. О функции распределения положительных ионов в сильном электрическом поле.//ЖТФ.1979.49. 5. С.964-969.

17.Акимов П.И..Габрусев А.Я..Данилов В.А..Коваленко Ю.А. и др. Синтез электронной пуши с конически сходящимся пучком на основе высоковольтного тлеющего разряда.//Труды VI Всес. семин.по численным методам решения задач электронной оптики .Рязань.1978.С.39-41.

18.Дзагуров Л.Ю..Коваленко Ю.А. Численное моделирование плоского газонаполненного диода.//РЭ.1987.32.7.С.1528-1532.

19.Дзагуров Л.Ю..Коваленко Ю.А. Учет влияния ионов в задачах численного моделирования релятивистских электронных пучков. //Депонент ВИНИТИ,1980. № 1957-80.

20.Дзагуров JI.Ю..Коваленко Ю.А.Численное моделирование электронно-оптических систем с газовым наполнением.//РЭ.1987.32. 4.С.847-854.

21.Дзагуров Л.Ю..Коваленко Ю.А.,Соловьева 0.В.Пакет прикладных программ для расчета электронно-оптических и ионно-оптичес-ких систем с газовым наполнением.// Пучково-плазменные процессы в электронно-лучевой аппаратуре промышленного применения. /Сб.науч.трудов под ред.В.И.Переводчикова.1994.С.75-86.

22.Жаринов A.B..Выборнов С.И..Коваленко Ю.А. Первеанс газонаполненного триода.//ЖТФ.I985.55.4.С.801-804.

23.Выборнов С.М., Дзагуров Л.Ю., Жаринов A.B., Коваленко Ю.А. Формирование электронных пучков в газонаполненных триодах. //Труды VI Всесоюзного симпозиума по сильноточной электронике. Томск. 1986.

24.Акимов П.И..Завьялов М.А..Переводчиков В.И..Коваленко Ю.А, Цхай В.Н. Электронный инжектор.//Авторское свидетельство

Л 814164 ОТ 22.05.1979. 25.Завьялов М.А.,Есичев A.B..Коваленко Ю.А.,Лисин В.Н..Мартынов В.Ф.,Цхай В.Н. Импульсный ускоритель электронов.// Автор.свид. Л 982552 от 10.02.1981.

26.Жаринов A.B., Коваленко Ю.А., Логинов Л.В., Шеметов М.П. Электронная пушка.//Автор.свид.J6 I0425I3 от 15.01.1982.

27.Коваленко Ю.А., Мурашов A.C., Шеметов М.П. Катодный узел электронного инжектора.//Автор.свид.J6 1240257.1986.

28.Дзагуров Л.Ю., Жаринов A.B., Коваленко Ю.А., Шумилин В.П. Теоретические и экспериментальные исследования ускорителя электронов на основе высоковольтного тлеющего разряда.// Труды IV Всесоюзного симпозиума по сильноточной электронике .Томск. 1982. С. III -114.

29.Жаринов A.B..Коваленко Ю.А..Шумилин В.П. Электронный ускоритель на основе высоковольтного тлеющего разряда.//Труды

VI Всес.конф.по физике низкотемпературоной плазмы.Ленинград, 1983.С.431-434.

30.Дзагуров Л.Ю., Коваленко Ю.А., Шумилин В.П. Исследование геометрических характеристик электронного пучка в дрейфовом пространстве ускорителя на основе высоковольтного тлеющего разряда.//Пучково-плазменные процессы в электронно-

лучевой аппаратуре промышленного применения./СО.научных трудов под ред. В.И.Переводчикова.1994.С.132-144.

31.Коваленко Ю.А. .Лоппсов И.В.,Тосунян Г.А. Электростатическая компрессия пучков в узких каналах.//Труды V Всес.симп. по сильноточной электронике.Томск.1982.1.0.162-164.

Тираж 100 экз. Заказ 37. ПМБ ВЭИ,Красноказарменная,12