Генерирование импульсных пучков большого сечения в электронных источниках с сетчатым плазменным эмиттером тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

Введение.

ГЛАВА I. ГЕНЕРИРОВАНИЕ ПУЧКОВ БОЛЬШОГО СЕЧЕНИЯ В ЭЛЕКТРОННЫХ

ИСТОЧНИКАХ НА ОСНОВЕ ПЛАЗМЕННЫХ ЭМИТТЕРОВ.

§ I.I. Источники электронов на основе эмиттеров с открытой плазменной эмиссионной поверхностью.

§ 1.2. Источники электронов на основе эмиттеров с закрытой эмиссионной плазменной поверхностью.

§ 1.3. Электрическая прочность источников, генерирующих пучки большого сечения.

ГЛАВА II. ИССЛЕДОВАНИЕ СЕТЧАТОГО ПЛАЗМЕННОГО ЭМИТТЕРА НА ОСНОВЕ ДУГОВОГО РАЗРЯДА С РАСШИРЕННОЙ АНОДНОЙ ЧАСТЬЮ.

§ 2.1. Экспериментальная установка и методика измерений

§ 2.2. Режимы горения дугового разряда низкого давления с анодной полостью большого размера.

§ 2.3. Исследование эмиссионных свойств сетчатого плазменного эмиттера на основе дугового контрагированного разряда с расширенной анодной

частью.

§ 2.4. Исследование параметров плазмы в анодной полости сетчатого плазменного эмиттера.

§ 2.5. Формирование эмиттирующей плазмы и механизм эмиссии электронов из сетчатого плазменного эмиттера.

ГЛАВА III. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ УПРАВЛЕНИЯ РАСПРЕДЕТТЕНИЕМ

ПЛОТНОСТИ ТОКА ПО СЕЧЕНИЮ ПБС, ГЕНЕРИРУЕМЫХ ИСТОЧНИКАМИ С СЕТЧАТЫМИ ПЛАЗМЕННЫМИ ЭМИТТЕРАМИ.

§ 3.1. Методика измерения распределения плотности тока по сечению пучка.

§ 3.2. Управление распределением плотности тока по сечению ПБС за счет изменения топографии электрического поля в ускоряющем промежутке.

§ 3.3. Электростатический метод управления распределением плотности эмиссионного тока сетчатого плазменного эмиттера.

§ 3.4. Распределение плотности тока по сечению ПБС в электронных источниках с многокамерными сетчатыми плазменными эмиттерами.

ГЛАВА 1У. ЭЛЕКТРОННЫЕ ИСТОЧНИКИ С СЕТЧАТЫМИ ПЛАЗМЕННЫМИ ЭМИТТЕРАМИ НА ОСНОВЕ ДУГОВОГО КОНТРАГИРОВАННОГО РАЗРЯДА

И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ.

§ 4.1. Электронный источник с СПЭ, генерирующий пучок с высокой плотностью тока.

§ 4.2. Высоковольтный источник электронов на основе

СПЭ с одной газоразрядной камерой.

§ 4.3. Высоковольтные источники электронов на основе

СПЭ с несколькими газоразрядными камерами.

Для осуществления многих радиационно-химических процессов, электронно-лучевой пайки, термической обработки материалов, нанесения металлических покрытий, стерилизации пищевых продуктов, обеззараживания сточных вод и других целей эффективно используется облучение электронами больших поверхностей [1»2]. Облучение электронами значительных газовых объемов используется для возбуждения мощных электроионизационных лазеров и интенсификации плаз-мохимических процессов [3,4]. Применение для этих целей электронных пучков большого поперечного сечения (ПБС) в некоторых случаях является единственно возможным (возбуждение лазеров), а в большинстве случаев предпочтительным по сравнению с узкими пучками, сканируемыми по большой площади [2,1], техника получения которых в настоящее время уже достаточно хорошо отработана.

ПБС можно определить как электронные потоки, в которых тепловые скорости электронов не оказывают существенного влияния на распределение плотности тока по их сечению [б]. Этим ПБС отличаются от пучков с малым сечением, в которых даже при равномерной эмиссии с катода максвелловекое распределение тепловых скоростей электронов приводит к гауссовому распределению плотности тока в поперечном сечении пучка. Характер распределения плотности тока по сечению ПБС определяется в основном распределением плотности эмиссионного тока и конфигурацией электрического поля в ускоряющем промежутке, а влияние на него тепловых скоростей электронов может проявляться лишь пр краям пучка.

Получение ПБС связано с созданием в электрофизических установках ранее не использовавшейся совокупности условий, а именно сочетания высоких ускоряющих напряжений, диодных промежутков значительной длины, разделяющих электроды больших размеров, между которыми протекают интенсивные электронные потоки, постоянной вакуумной откачки и выполнением ранее не предъявлявшихся к электронно-лучевым системам требований, в частности, в отношении углов расходимости ускоренных электронов и равномерности распределения плотности тока по сечению пучка. Использование ПБС в болыпистве случаев требует вывода пучка из вакуумной камеры в атмосферу, где находится облучаемый объект. Вывод электронов осуществляется через фольговое выпускное окно, которое является сложным и в настоящее время наименее надежным узлом электронных источников, генерирующих ПБС.

Формирование ПБС можно осуществлять за счет расширения вначале узкого пучка, с помощью традиционной рассеивающей электронной оптики, либо при использовании эмиттирующей поверхности по размерам и форме близкой к необходимому сечению пучка. При использовании первого способа электроны попадают на фольгу выпускного окна под значительными углами, что приводит к увеличению потерь электронов в фольге и трудностям в достижении равномерного распределения плотности тока по сечению ПБС. Второй способ предпочтительнее так как предполагает использование простейшей ускоряющей системы и позволяет получить ПБС сложной формы с малой расходимостью.

Физика и техника получения ПБС начали развиваться одновременно на основе эмиттеров различных типов: термокатодов, взрыво-эмиссионных (ВЭ) катодов и эмиттеров на основе газовых разрядов. Системы, в которых существенную роль играет плазма, в соответствии с классификацией [б] можно рассматривать как плазменные источники электронов (ПИЭЛ). ПИЭЛ для генерирования ПБС по сравнению с источниками на основе термокатодов имеют ряд важных преимуществ: - благодаря более высоким эмиссионным свойствам плазмы обеспечивают пучки с более высокой плотностью тока;

- обладают высокой энергетической эффективностью, под которой понимается отношение тока электронной эмиссии к мощности, затраченной на его получение;

-г имеют малое ^10 с время готовности, которое определяется временем зажигания разряда и обеспечивают импульсную эмиссию при использовании импульсного разряда;

- способны работать в тяжелых вакуумных условиях при наличии интенсивной ионной бомбардировки, малочуствительны к загрязнениям и разгерметизациям вакуумной системы;

- обычно более просты по конструкции, отличаются надежностью и долговечностью.

Наиболее полно преимущества ПИЭЛ проявляются при генерировании имс. пульсных ПБС. Для генерирования ПБС с малой <10 с длительностью р и большой >10 А/см плотностью тока пучка используются ПИЭЛ на основе взрывоэмиссионных (ВЭ) катодов, которые в этом диапазоне длительностей и плотностей тока в настоящее время находятся практически вне конкуренции.

Задачу получения ПБС с длительностью импульса тока >10 с в ряде случаев наиболее целесообразно можно решить используя эмиссию электронов из плазмы газовых разрядов низкого давления. Применение газоразрядной техники открывает широкие возможности для построения различных схем электронных источников ПБС, в которых плазма выполняет разные функции. Ряд типовых схем показан на рис.1. На рис.1а приведена схема ПИЭЛ с самостоятельным высоковольтным тлеющим разрядом (ВТР), напряжение горения которого соответствует требуемой энергии электронов. В таких источниках электроны эмиттируют-ся холодным катодом под действием бомбардировки его поверхности вы-сокоэнергетичными ионами и нейтралами. Ионы поступают на катод из прианодной плазмы ВТР после ускорения в прикатодном слое, а высокоа б ив г

Рис. I. Схемы пттазменных источников эттектронов с пучками боттьшого сечения.

I - катод; 2 - эквипотенциальные ттинии; 3 - пттазма; 4 - анод газоразрядной камеры; 5 - электронный поток; 6 - ускоряющий этгектрод. энергетичные нейтралы образуются при перезарядке ионов в той же области, Эмиттированные катодом электроны, попадая в область сильного электрического поля, непосредственно примыкающую к катоду, переходят в режим свободного ускорения и двигаясь практически без столкновений приобретают энергию, соответствующую пройденной разности потенциалов. Длительность стадии высоковольтного разряда зависит от напряжения и тока, определяемого давлением и родом рабочего газа,поэтому, если не предпринять специальных мер (стабилизация давления, ограничение тока и др.), то самостоятельный ВТР переходит в дугу и генерация электронного пучка прекращается. На рис.1.6 схематично показан источник электронов с несамостоятельным ВТР. Электронная эмиссия холодного катода в источниках этого типа, как и в предыдущей схеме, обязана высокоэнерге-тичным ионам и нейтралам. Однако значительная доля ионов образуется в плазме вспомогательного разряда, горящего между дополнительными электродами и испускается в направлении холодного катода через ячейки сетчатого анода. Это позволяет управлять током пучка, варьируя ток вспомогательного разряда, и расширить диапазон рабочих давлений ПИЭЛ на основе ВТР. В двух последних случаях (рис.1 в,г) эмиссия электронов в высоковольтный ускоряющий промежуток происходит с развитой границы прианодной плазмы, генерируемой низковольтным разрядом, горящим между холодным катодом и анодом. При этом плазма играет роль не только поставщика ионов и квантов излучения, которые взаимодействуя с катодом вызывают эмиссию электронов, но и обеспечивает ток с катода благодаря усилению прикатод-ного электрического поля ионным слоем пространственного заряда и компенсации пространственного заряда электронного потока медленными ионами. Кроме того, плазма является средой, эмиттирующей электроны непосредственно в ускоряющий промежуток. Электроны поступают в ускоряющий промежуток через ячейки сетчатой поверхности анода, которая определяет конфигурацию эмиттирующей границы плазмы. Сетчатая поверхность анода может быть как меньше поверхности холодного катода (рис.1в), так и существенно больше (рисЛг). Источники электронов, в которых эмиттирующая плазма отделена от ускоряющего промежутка сеткой, будем в дальнейшем называть сетчатыми плазменными эмиттерами (СПЭ). В электронных источниках для получения ПБС, построенных по схемам Ia-в, достаточно плотная плазма генерируется в газовых разрядах при давлениях Па. Именно этим можно объяснить то, что в известных из литературы газораз-рядныхисточниках электронов таких типов ускоряющее напряжение не превышает 170 кВ [7-9], хотя и указывается на необходимость его повышения до 300-400 кВ [7,10]. Снижение давления с целью повышения электрической прочности ускоряющего промежутка приводит к ухудшению условий зажигания разряда, необходимого для генерации плазмы, и уменьшению разрядного тока.

Повышение ускоряющего напряжения в электронных источниках, генерирующих ПБС, возможно осуществить двумя способами. Первый способ, иллюстрируемый схемой рисЛг, состоит в использовании разрядной системы, обеспечивающей значительный перепад давления между катодной областью разряда, в которой происходит его инициирование, и областью эмиттирующей плазмы непосредственно контактирующей с ускоряющим промежутком. Перепад давления создается в канале, связывающем газоразрядную камеру с анодной полостью, поперечные размеры которой соответствуют требуемому сечению ПБС. Газоразрядная плазма заполняет весь объем анодной полости эмиттера и в этом смысле разряд можно считать объемным. Второй способ повышения ускоряющего напряжения ПИЭЛ состоит в использовании специфичных объемных разрядов, которые возникают и обеспечивают требуемые плотности тока при более низких давлениях,

Целью настоящей диссертационной работы является исследование физических процессов, происходящих в плазменных эмиттерах, в которых используется объемней разряд низкого давления с анодной полостью большого размера и создание ПИЭЛ, генерирующих пучки большого сечения. Кроме того, в работе уделено внимание вопросам обеспечения электрической прочности ускоряющего промежутка, имеющим -самостоятельное значение вне зависимости от типа применяемого эмиттера. В этом плане представляет интерес проведение исследований электрической прочности промежутка в условиях, специфичных для источников, генерирующих ПБС, и выработка на основе этих исследований рекомендаций по конструированию высоковольтных источников электронов, удовлетворяющих предъявляемым к ним требованиям.

Для получения импульсных ПБС с помощью ПИЭЛ, построенных по схеме рис.1г, как показали ранее проведенные исследования [ll,12], целесообразно использовать дуговой контрагированный разряд с холодным катодом в магнитном поле. Рациональное сочетание электрического и магнитного полей в этом разряде обеспечивает инициирование дуги отражательным разрядом при относительно низких давлениях. Контрагирование разряда отверстием в промежуточном аноде резко повышает плотность анодного тока, что позволяет обеспечить эффективную связь газоразрядной камеры с анодной полостью через малое отверстие, которое создает значительный перепад давления между областями генерации плазмы и ускорения электронов. Кроме того, благодаря существованию на входе в контрагирующий канал двойного электрического слоя, в котором ускоряются электроны, из катодной области разряда через анодное отверстие в анодную полость поступает поток электронов с энергией, близкой к той, которая соответствует максимуму сечения ионизации электронным ударом. Эти электроны за счет ионизации молекул, напускаемого в эмиттер газа, синтезируют в полости плазму. Однако повышение эффективности использования дугового контрагированного разряда и дальнейшее улучшение на этой основе параметров ПБС требует детального изучения ряда вопросов, среди которых представляются существенными следующие:

1. Исследование характеристик разряда с целью нахождения условий устойчивого и стабильного его горения как в режиме одиночных импульсов, так и в частотном режиме»

2. Исследование эмиссионных свойств плазмы, генерируемой разрядом, методов управления током эмиссии и методов повышения равномерности электронной эмиссии плазменного катода, имеющего большую эмиттирующую поверхность.

3. В вакуумных промежутках между электродами с большими размерами при приложении высокого импульсного напряжения большой длительности возникает высоковольтный объемный разряд, который самопроизвольно погасает через время порядка 10"^с. Разряд сопровождается протеканием значительных 10-20 А электронных токов с хорошей воспроизводимостью от импульса к импульсу. При определенных условиях такой высоковольтный объемный разряд искажает импульс тока пучка, генерируемого источником электронов с плазменным эмиттером, а также может стимулировать пробой ускоряющего промежутка, что требует исследования условий и причин возникновения, самопроизвольного погасания и отыскания путей устранения этого разряда.

В ходе работы применялись теоретические методы исследования, математическое моделирование, а также широко использовались различные экспериментальные методики: исследование параметров плазмы с помощью многосеточного энергоанализатора, спектральный и зондо-вый методы диагностики плазмы, импульсное измерение давления, мно-гозондовый метод измерения распределения плотности тока по сечению пучка и др.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения.

ВЫВОДЫ

I. В источниках электронов с сетчатым плазменным эмиттером конфигурация сетки определяет форму плазменной эмиттирующей поверхности, что позволяет при формировании ПБС использовать электронную оптику систем с твердотельными катодами. Изменяя конфигурацию сетки, можно управлять распределением плотности тока по сечению пучка.

2. Вследствие отражения электронов от потенциального барьера, существующего у электродов, помещенных в анодную полость СПЭ, происходит перераспределение плотности плазмы, а следовательно и плотности эмиссионного тока. При этом плазма обтекает отражающие электроды, попадая в область их геометрической тени. Выбирая оптимальными форму и расположение отражающих электродов в анодной полости,можно существенно улучшать однородность плотности эмиссионного тока СПЭ. Такой электростатический метод управления распределением плотности тока эмиссии прост в реализации и имеет малые энергетические потери.

3. Установлено, что при синхронной работе нескольких газоразрядных камер на общую анодную полость СПЭ, общий ток пучка определяется суперпозицией токов, генерируемых отдельными камерами. Это позволяет формировать эмиссионные плазменные поверхности площадью в несколько тысяч квадратных сантиметров за счет установки соответствующего количества газоразрядных камер, причем оси камер могут быть ориентированы как вдоль, так и перпендикулярно извлечению электронов. В последнем случае несколько выше электрическая прочность ускоряющего промежутка.

ГЛАВА 1У

1. Источником ускоряющего напряжения 10 служила батарея конденсаторов емкостью б мкф, Заряжаемая до напряжения 25 кВ. Измерение токов и распределения плотности тока производится с помощью поясов Роговского II и многозондовой системой индикации.

2. Рис.4.3. Внешний вид сетчатого плазменного эмиттера.ч

3. BP с некондиционйрованными электродами деградирует при увеличении исла импульсов. Так в одном из экспериментов после 100 импульсов мплитуда тока уменьшилась на 50 % от первоначальной, после 2001. OJ1. Косц.

4. Рис.4.5. Схема экспериментальной установки для исследования ВВР.1.катод; 2 - газоразрядная камера; 3 - токоввод; 4 - изолятор; 5 - рабочая камера; б - вакуумный насос; 7 - ГИН; 8 - анод.Т

5. Рис.4.б. Характерные осциллогр&умы напряжения (I) и тока ВВР (2,3). 2 UQ= 200 кВ; 3 - 220 кВ; давление Р = 1,3*Ю"3 Па; зазор анод-катод - 150 мы.

6. Рис.4.7. Зависимости амплитуды тока \Д,3) и времени запаздывания (2,4 ВВР от напряжения.мпульсов 70 % и после 500 импульсов - на 80 %.

7. Рис.4.8. Зависимость тока ВЁР от давления.U