Исследования субнаносекундного пробоя сильноперенапряженных газовых промежутков

Иванов, Степан Несторович

Исследования субнаносекундного пробоя сильноперенапряженных газовых промежутков тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ

Иванов, Степан Несторович АВТОР

доктора физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Екатеринбург МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.13 КОД ВАК РФ

Автореферат по физике на тему «Исследования субнаносекундного пробоя сильноперенапряженных газовых промежутков»

Автореферат диссертации на тему "Исследования субнаносекундного пробоя сильноперенапряженных газовых промежутков"

На правах рукописи

Иванов Степан Несторович

ИССЛЕДОВАНИЯ СУБНАНОСЕКУНДНОГО ПРОБОЯ СИЛЬНОПЕРЕНАПРЯЖЕННЫХ ГАЗОВЫХ ПРОМЕЖУТКОВ

01.04.13 - электрофизика, электрофизические установки

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

9 дир 2014

005544225

Екатеринбург, 2013

005544225

Работа выполнена в лаборатории электронных ускорителей Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института электрофизики Уральского отделения Российской академии наук

Официальные оппоненты: Рыжов Виктор Васильевич

доктор физико-математических наук в.н.с. ИСЭ СО РАН

Мильмаи Игорь Игориевич

доктор физико-математических наук профессор ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»

Яловец Александр Павлович

доктор физико-математических наук, профессор профессор ФГБОУ ВПО «Южно - Уральский государственный университет»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»

Защита состоится « 25 » февраля 2014 г. в 13.00 на заседании Диссертационного совета Д004.024.01 в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте электрофизики Уральского отделения Российской академии наук по адресу: 620016, г. Екатеринбург, ул. Амундсена, 106.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института электрофизики УрО РАН.

Ваши отзывы в двух экземплярах, подписанные и заверенные гербовой печатью, с указанием даты подписания просим выслать по адресу: 620016, г. Екатеринбург, ул. Амундсена, 106, ИЭФ УрО РАН. Диссертационный совет Д004.024.01.

Автореферат разослан «.¿¿> ъ ¿7/ 2013 г. Ученый секретарь

Диссертационного совета Д004.024.01 доктор физико-математических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. На момент начала исследований, описанных в настоящей диссертационной работе, в литературе имелось очень ограниченное число публикаций, которые относились бы к физике импульсного пробоя в газе в субнаносекундной области времен. Прежде всего, это связано с тем, что только ограниченное число исследовательских групп имеют в наличии высоковольтную субнаносекундную технику и одновременно имеют опыт исследований в физике импульсного пробоя газов. При этом в экспериментах главным образом использовался метод осциллографической регистрации явлений при пробое.

Между тем, подобные исследования стимулируются как с точки зрения фундаментальных вопросов физики пробоя, так и со стороны практических применений. В частности, область уже освоенных применений наносекундных импульсов чрезвычайно широка. Среди наиболее иллюстративных применений наносекундных импульсов можно указать осуществление модуляции добротности твердотельных лазеров, накачку полупроводниковых лазеров, генерацию электронных пучков и рентгеновского излучения, генерацию микроволнового излучения в приборах релятивистской СВЧ электроники и т.д. В принципе, таковы же применения субнаносекундных импульсов [1]. Однако в этой области оказывается возможным получать и совершенно уникальные эффекты. Например, использование более коротких импульсов для генерации электромагнитного излучения позволяет осуществлять широкополосную радиолокацию. Субнаносекундные пучки электронов и рентгеновского излучения являются уникальным инструментом для исследования физики взаимодействия излучения с веществом, когда время импульсного воздействия становится соизмеримым и даже меньше, чем характерные времена некоторых переходных процессов в газах и твердых телах. Важным фактором является то, что электрическая прочность практически любой среды возрастает при уменьшении длительности импульса. В итоге оказывается возможным создавать малогабаритные импульсные рентгеновские аппараты и сверхминиатюрные рентгеновские трубки, которые имеют перспективы использования для внутриполостной диагностики.

Но при этом практическое использование субнаносекундных газовых разрядников значительно опережает понимание физики их работы. На сегодняшний день, по сути, нет полной физической картины их работы в субнаносекундном диапазоне, а сами разрядники разрабатываются эмпирически, путем проб и ошибок. А, следовательно, и не понятно, какую предельную скорость коммутации и за счет каких физических процессов можно получить. Т.е. до конца не ясны и возможности практического применения таких разрядников. Таким образом, исследования газового пробоя в субнаносекундном диапазоне времен, с одной стороны, представляют фундаментальный интерес для развития физики пробоя, а с другой стороны, сильно стимулируются потребностями высоковольтной импульсной техники. Фактически эти исследования проводились и проводятся сейчас параллельно с разработками генераторов высоковольтных импульсов с субнаносекундными фронтами.

Таким образом, предлагаемое направление работ в диссертации, безусловно, актуально.

Цель работы. Основным направлением работ в диссертации является исследование газового пробоя в условиях, когда реализуются субнаносекундные времена коммутации разрядного промежутка, а также исследование пробоя под воздействием импульсов субнаносекундной длительности. При этом будут использованы как традиционный метод осциллографической регистрации явлений при пробое, так и метод высокоскоростной электронно-оптической хронографии для наблюдения световых явлений в разряде. Особое внимание будет уделено изучению разряда в условиях, близким к условиям работы субнаносекундных газовых разрядников. Подробнее конкретные цели работ будут сформулированы во введениях к соответствующим главам.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые:

1. Методом высокоскоростной электронно-оптической хронографии было исследовано свечение, сопровождающее пробой газа (в диапазоне давлений от 4 до 40 атм) под действием импульсов напряжения с фронтом 1 не и короче. Оценены скорости волновых ионизационных процессов и изучена динамика развития волн ионизации на стадии формирования пробоя. Измерения проводились в условиях больших перенапряжений. На разрядный газовый промежуток от генератора импульсов подавались импульсы напряжения амплитудой 70-150 кВ.

2. Показано, что за счет распространения катодонаправленной волны ионизации, вблизи катода на предпробойной стадии на короткое (до 100 пс) время формируется область усиленного поля с напряженностью в 7-15 раз превышающей среднюю напряженность электрического поля в разрядном промежутке. В результате такого усиления поля, часть плазменных электронов может перейти в режим непрерывного ускорения.

4. Впервые зарегистрирован откол материала с тыльной стороны анода под действием пучка быстрых электронов, формирующихся в газе высокого давления.

5. Проведен цикл экспериментов по измерению пороговых напряжений, при которых начинают регистрироваться существенные токи в газовом промежутке при воздействии субнаносекундных импульсов напряжения. Измерены времена формирования пробоя и времена и скорости коммутации в субнаносекундном диапазоне. Массив данных получен для широкого диапазона давлений (от атмосферного до 40 атм) и степени перенапряжения на разрядном газовом

промежутке и может быть использован в качестве справочного при конструировании газовых разрядников высокого давления.

6. В субнаносекундном диапазоне получена зависимость потенциала зажигания в азоте от произведения давления на величину разрядного газового промежутка (кривая Пашена). Обнаружено, что в субнаносекундном диапазоне нарушен закон подобия. При одинаковом значении произведения давления на величину разрядного газового промежутка потенциал зажигания существенно зависит от давления газа в промежутке.

7. Показано, что в субнаносекундном диапазоне при неизменной ширине разрядного газового промежутка с ростом давления значительно падает перенапряжение на промежутке. При этом время формирования пробоя увеличивается лишь примерно на 40-50%, а время коммутации, и, соответственно, скорость коммутации остаются практически неизменными.

8. Показано, что за счет увеличения электрической прочности изоляционных элементов в субнаносекундном диапазоне можно создавать взрывоэмиссионные диоды диаметром до 9 мм, которые могут быть использованы в качестве рентгеновской трубки в компактных субнаносекундных рентгеновских аппаратах с гибким кабельным зондом-излучателем.

9. Показано, что взрывоэмиссионные диоды можно использовать в качестве источников субнаносекундного рентгеновского излучения в широком диапазоне амплитуд питающих диод субнаносекундных импульсов напряжения. При этом величина полученной дозы рентгеновского излучения в диодах с одинаковой конструкцией разрядного промежутка остается постоянной в широком диапазоне условий: от высокого вакуума (остаточный вакуум 10"5 Па) до газа низкого давления (1 Па).

Практическая ценность работы состоит в том, что:

во-первых, получены новые физические данные по механизмам инициирования и динамике развития субнаносекундного пробоя сильноперенапряженных газовых промежутков. Газовые разрядники высокого давления широко применяются в различной электрофизической аппаратуре нано и субнаносекундного диапазонов. Полученные данные могут быть полезными для разработчиков новых типов сверхбыстрых газовых коммутаторов;

во-вторых, экспериментально получен набор данных по пороговым напряжениям коммутации, временам формирования пробоя и временам и скоростям коммутации для широкого диапазона давлений газа и перенапряжений на промежутке. Эти данные оформлены в виде таблиц и графиков и могут быть непосредственно использованы при проектировании газовых коммутаторов в качестве справочного материала.

в-третьих, на базе малогабаритных генераторов импульсов напряжения серии РАДАН (РАДАН-303, РАДАН-ЭКСПЕРТ) разработаны лабораторные образцы субнаносекундного рентгеновского аппарата с миниатюрной трубкой-излучателем, соединенной с источником высоковольтных импульсов напряжения

посредством серийно выпускаемого тонкого гибкого 50-0много низковольтного радиочастотного коаксиального кабеля (РК50) длиной 1 м. В качестве рентгеновского излучателя использовались миниатюрные (диаметром до 9 мм) взрывоэмиссионные диоды, также разработанные в рамках диссертационной работы. Были получены дозы субнаносекундного рентгеновского излучения в несколько десятков миллирентген за импульс. Генераторы РАДАН способны работать с частотой следования импульсов до 100 Гц, что позволяет накапливать дозу рентгеновского излучения до значений, необходимых для практического применения. Основными преимуществами рентгеновского аппарата субнаносекундного диапазона с миниатюрной трубкой-излучателем, соединенной с источником высоковольтных импульсов напряжения посредством тонкого гибкого коаксиального кабеля по сравнению с традиционными наносекундными рентгеновскими аппаратами являются:

(а) Уменьшенные габариты и вес (от 10 до 32 кг в нашем исполнении). И эти параметры еще могут быть уменьшены при использовании генераторов импульсов с меньшим выходным напряжением в частотном режиме работы;

(б) Возможность подвести миниатюрную рентгеновскую трубку посредством гибкого тонкого длинного кабеля к труднодоступным объектам, облучение которых традиционными рентгеновскими аппаратами затруднено или невозможно.

Компактные субнаносекундные рентгеновские аппараты с гибким отпаянным зондом-излучателем, могут быть востребованными в медицине при близкофокусной рентгенотерапии онкологических заболеваний (тонкий рентгеновский зонд излучатель может быть доставлен к больному органу через небольшой хирургический разрез) и стать альтернативой изотопным зондам, применяемым в настоящее время. Кроме того, аппарат может использоваться в промышленности при неразрушающем контроле изделий с отверстиями малого диаметра и большой длины.

в-четвертых, разработанные для экспериментальных установок схемы субнаносекундной синхронизации, а также входящие в состав установок оригинальные приборы (например, генератор Аркадьева-Маркса с субнаносекундным фронтом и повышенной стабильностью временных параметров) и их отдельные узлы (например, кабельные линии задержки высоковольтных субнаносекундных импульсов) могут быть использованы в дальнейших экспериментах и в коммерческих версиях приборов.

Так с учетом полученного в диссертации опыта обострения фронта импульсов (от 20 не до 0.3 не, выходной узел генератора Аркадьева-Маркса) в лаборатории электронных ускорителей ИЭФ УрО РАН был по контракту изготовлен обостритель импульсов для университета в г. Сингапуре.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Субнаносекундная синхронизация высоковольтного генератора импульсов РАДАН 303 и электронно-оптической камеры, позволила впервые провести

регистрацию свечения сопровождающего субнаносекундный пробой сильноперенапряженных газовых промежутков высокого давления. Были измерены скорости волновых ионизационных процессов и изучена динамика развития пробоя.

2. За счет распространения катодонаправленной волны ионизации, вблизи катода на предпробойной стадии на короткое (до 100 пс) время формируется область усиленного поля с напряженностью в 7-15 раз превышающей среднюю напряженность электрического поля в разрядном промежутке. В результате такого усиления поля, часть плазменных электронов может перейти в режим непрерывного ускорения.

3. Зарегистрирован пучок "быстрых" или "непрерывно ускоренных" электронов при субнаносекундном пробое сильноперенапряженных газовых промежутков высокого, вплоть до 40 атмосфер, давления. При этом, "быстрые" электроны регистрируются во всех пробоях газового зазора, при которых между электродами образуется искра. Ранее при таких высоких давлениях газа "быстрые" электроны не регистрировались.

4. Обнаружен откол материала с тыльной стороны анода под действием пучка "быстрых" электронов, формирующихся в газовом разряде высокого давления.

5. Получен массив данных по пороговым напряжениям коммутации, при которых начинают регистрироваться существенные токи в газовом промежутке при воздействии субнаносекундных импульсов напряжения; временам формирования пробоя; временам и скоростям коммутации в субнаносекундном диапазоне. Данные получены для широкого диапазона давлений (от атмосферного до 40 атм) и степени перенапряжения на разрядном газовом промежутке и могут быть использованы при проектировании газовых коммутаторов в качестве справочного материала.

6. Зависимость потенциала зажигания в азоте от произведения давления на величину разрядного газового промежутка (кривая Пашена) полученная для субнаносекундного диапазона показывает, что в субнаносекундном диапазоне нарушен закон подобия: при одинаковом значении произведения давления на величину разрядного газового промежутка потенциал зажигания существенно зависит от давления газа в промежутке.

7. Увеличение электрической прочности изоляционных элементов в субнаносекундном диапазоне позволило создать взрывоэмиссионные диоды диаметром до 9 мм, которые могут быть использованы в качестве рентгеновской трубки в компактных субнаносекундных рентгеновских аппаратах с гибким кабельным зондом-излучателем.

8. Величина полученной дозы рентгеновского излучения у взрывоэмиссионных диодов с одинаковой конструкцией разрядного промежутка остается постоянной в широком диапазоне условий: от высокого вакуума (остаточный вакуум 10"5 Па) до газа низкого давления (1 Па).

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной конференции "Генерирование мощного микроволнового излучения и коротких импульсов (Int. Workshop on High Power Microwave Generation and Pulse Shortening)" (Эдинбург, Великобритания, 1997); 13 Международной конференции "Газовые разряды и их применения" (Глазго, Великобритания, 2000); 12, 13, 14, 15 Международным симпозиумам по сильноточной электронике (Томск, Россия, 2000, 2004, 2006, 2008); 20 Международной конференции "Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество" (п. Эльбрус, Кабардино-Балкария, Россия, 2005), 21 Международной конференции "Уравнения состояния вещества" (п. Эльбрус, Кабардино-Балкария, Россия, 2006); 11 Международной конференции "Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул" (Томск, Россия, 2013); И Международной конференции "Газоразрядная плазма и ее применения" (Томск, Россия, 2013).

Исследования были поддержаны восемью грантами (в пяти из них диссертант был руководителем):

Гранты РФФИ:

№99-02-16462-а "Субнаносекундный импульсный электрический пробой сильно перенапряженных вакуумных и газовых промежутков" (исполнитель);

№04-02-0803 8-офи "Разработка и создание лабораторного образца рентгеновского аппарата на основе миниатюрной рентгеновской трубки" (исполнитель);

№05-02-16477-а "Исследование пробоя сильно перенапряженных газовых промежутков при субнаносекундных временах нарастания тока" (руководитель);

№08-02-00982-а "Исследование динамики развития субнаносекундного импульсного электрического пробоя сильно перенапряженных газовых промежутков высокого давления" (исполнитель);

№09-08-00374-а "Исследование коммутационных характеристик нано и субнаносекундных газовых разрядников высокого давления" (руководитель);

№12-08-00282-а "Исследование перехода электронов в режим непрерывного ускорения при субнаносекундном импульсном электрическом пробое в газах высокого давления" (руководитель).

Гранты Уральского отделения РАН:

Интеграционный проект (2006-2008 гг.) фундаментальных исследований, выполняемых в УрО РАН совместно с учеными СО и ДВО РАН "Исследование импульсного электрического пробоя газовых промежутков высокого давления при больших перенапряжениях" (руководитель, задействовано 2 лаборатории: одна из ИЭФ УрО РАН и одна из ИСЭ СО РАН).

Интеграционный проект (2009-2011 гг.) фундаментальных исследований, выполняемых в УрО РАН совместно с учеными СО и ДВО РАН "Исследование механизмов инициирования импульсных и стационарных газовых разрядов" (руководитель, задействовано 4 лаборатории: 3 из ИЭФ УрО РАН и одна из ИСЭ СО РАН).

Личный вклад автора. Постановка задач исследований, проведение экспериментов и анализ полученных результатов; разработка основных конструктивных решений, использованных в экспериментальных установках и лабораторных макетах малогабаритных субнаносекундных рентгеновских аппаратов. В постановке задач по созданию экспериментальной установки для электронно-оптической регистрации свечения, сопровождающего пробой сильноперенапряженных газовых промежутков, принимали активное участие члены-корреспонденты РАН В.Г. Шпак и М.И. Яландин. Для экспериментов сотрудниками лаборатории электронных ускорителей ИЭФ УрО РАН были предоставлены генераторы РАДАН-ЗОЗ, РАДАН-ЭКСПЕРТ и субнаносекундный формирователь импульсов. Остальное нестандартное оборудование (генераторы Аркадьева-Маркса с субнаносекундным фронтом и повышенной стабильностью временных параметров, высоковольтные линии задержки, экспериментальные камеры и т.д.) разрабатывалось и изготавливалось автором диссертационной работы. В интерпретации экспериментальных результатов по электронно-оптической регистрации свечения, сопровождающего пробой сильноперенапряженных газовых промежутков, принимал активное участие к.ф,-м.н. В.В. Лисенков. Соавторы, принимавшие участие в отдельных направлениях исследований, указаны в списке основных публикаций автора по теме диссертации. Все результаты, составляющие научную новизну диссертации и выносимые на защиту, получены автором лично.

Публикации. Основные результаты работы изложены в 31 публикации, в том числе в 16 статьях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, раздела "Используемая терминология и исходные пункты для формулировки задач диссертационной работы", пяти глав и заключения. Она изложена на 180 страницах, включая 86 рисунков, 3 таблицы и список литературы из 129 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во ВВЕДЕНИИ обосновывается актуальность темы диссертационной работы, кратко раскрывается содержание рассматриваемых в ней задач, формулируются цели работы, ее научная новизна и практическая ценность результатов исследований.

В разделе ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ТЕРМИНОЛОГИЯ И ИСХОДНЫЕ ПУНКТЫ ДЛЯ ФОРМУЛИРОВКИ ЗАДАЧ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ приведена общепринятая на сегодняшний день терминология описания импульсного газового пробоя. Кроме того, в разделе дан небольшой обзор наиболее важных из ранее полученных результатов по физике нано и субнаносекундного пробоя, которые были использованы в качестве исходных пунктов при формулировке задач настоящей диссертационной работы.

В ПЕРВОЙ главе дается описание специально разработанной и изготовленной для выполнения диссертационной работы экспериментальной установки, предназначенной для исследования динамики развития

субнаносекундного электрического пробоя газовых промежутков методом высокоскоростной электронно-оптической хронографин. Установка позволяет проводить синхронную осциллофафическую регистрацию нано и субнаносекундных импульсов напряжения (длительность импульса 0.2 - 4 не) и тока в исследуемом газовом промежутке с электронно-оптической хронографней свечения, сопровождающего предпробойные и пробойные процессы в газе. Высокоскоростная электронно-оптическая хронография в настоящее время является единственным методом, позволяющим определить область зарождения пробоя внутри разрядного промежутка и исследовать динамику развития инициирующих пробой процессов Из-за большого объема изложенного материала и сложности входящих в установку приборов и умов, описание установки было выделено в отдельную главу. Другие экспериментальные установки, разработанные для выполнения диссертации, описаны в соответствующих тематических главах в виде подразделов.

Использование электронно-оптической камеры (ЭОП) определяет основную сложность экспериментов, поскольку требуется обеспечить опережающий запуск генератора развертки ЭОПа, имеющего мертвое время от 15 до 50 ис. Па рис. I показана схема разработанной установки. F.e основой является 4-х наносекундный малогабаритный генератор им пул ко в (ГИ) РАДАП-ЗОЗА |2). Генератор оборудован электрически-управлясмым трехэлектродным разрядником с искажением поля [2|. На выходе ГИ установлен обостритель импульсов с обостряющим н срезающим азотнымн разрядниками высокого давления [2|. ЭОП

(Хм>С||Ш|<МЬ

с мсьалснмсч iio.ii

Рис. I. Блок схема экспериментального комплекса. ЛЗ - высоковольтная линия задержки; ГЗИ - генератор запускающих высоковольтных импульсов, АГАТ -СФЗМ - электрон но-оптическая камера хронографического типа.

имеет рабочий участок развертки 30 мм. При ном из-за повышенных искажений не рекомендуется использовать начальный и конечный участки фоторазвертки (примерно но 10% от шкалы). На поддиапазонах развертки 0.5 нс/см и I нс/см максимальный измеряемый интервал составляет 1.2 не и 2.5 не.

соответственно. Поэтому для экспериментов по электронно-оптической фотосъемке свечения, сопровождающего субнаносекунлный пробой газового промежутка, необходимо обеспечить такую точность включения ГИ. чтобы его выходной импульс попал во временные "ворота" шириной 1.2-2.5 не. Это непростая задача. Дня запуска управляемого разрядника был разработан высоковольтный генератор запускающих импульсов (ПИ), выполненный по схеме Аркадьсва-Маркса с восемью ступенями умножения напряжения. На выходе ПИ также оборудован субнаносскундным обострителем импульсов. Коммутатором первой ступени ГЗИ является тиратрон ТГИ1 -1000/25. Остальные ступени коммутируются григатронными разрядниками с форсирующими цепями. Блок разрядников выполнен с взаимной подсветкой зазоров. Вся конструкция ПИ помещена в сухой азот с давлением 7 атм. В результате был получен высоковольтный

субнаносскундный импульс xSvV«

запуска с нестабильностью V\ • задержки фронта выходного 4 Г\\\ импульса относительно

низковольтного импульса,

запускающего тиратрон, в 1-2 не. Чалающим таймером всей системы является блок управления РЛДЛН-303,

формирующий исходный

низковольтный (10 В) импульс упранлсиия. Этот импульс после задержки стандартным

генератором Г5-54 используется для запуска тиратрона высоковольтного ПИ.

0.5

_I_

И|нчн. in

Между ПИ и управляемым разрядником установлена

высоковольтная линия задержки (ЛЗ). ЛЗ была изготовлена в двух вариантах: в виде спиральной коаксиальной воздушной 50-Омной линии и на основе радиочастотного кабеля РК50-11-11 длиной 10 м. Показано, что н изковол ьтные радиочастотные кабели в субнаносекундном

разрядного анод; 2 -

Рис. 2. Конструкция промежутка. 1,3 - катод; 4 керамическая шпилька, фиксированная эпоксидным клеем; 5 - дополнительный реперный зазор (свечение, возникающее при его пробое, создаст нулевую точку на фоторазвертке развития пробоя промежутка); 6 - исследуемый газовый промежуток шириной с1. Справа приведена фоторазвертка свечения, сопровождающего импульсный электрический пробой газа (сухой азот. 4.5 атм). Сканирован негатив.

диапазоне могут передавать импульсы напряжения амплитудой до 180 кВ. Были разработаны оригинальные утлы согласования 50-0мная масляная линия -коаксиальный кабель.

После обострения импульс ГИ подается в испытательную камеру (50-0мная газонаполненная коаксиальная линия) с газоразрядным промежутком (выполнен в

R. мч

9 А

(а)

I . kit iv

6001

•MX)

(б)

300

200

100

25 2Ь 27 2* 29 30 /. мы

Рис. 3. (а). Карта эквипотенциален электрического ноля в разрядном промежутке. 7. - ось симметрии системы катод - анод; (б). Распределение напряженности

электрического поля вдоль линии, соединяющей точки с

максимальными значениями

нормальной напряженности поля на закругленных кромках катода и анода (кружки), и вдоль оси симметрии катод-анод (ромбики). 7. -ось симметрии системы катод - анод.

виде разрыва центрального электрода), рассчитанную на давление до 100 атм. Камера оборудована емкостными датчиками, позволяющими

контролировать напряжение на электродах и ток пробоя, а также прозрачными боковыми окнами для электронно-оптической фотосъемки. Формируемый ГИ высоковольтный субнаносекундный импульс подастся в испытательную камеру по короткой передающей линии с минимальными искажениями, а управляемый коммутатор кроме синхронизации регистрирующей аппаратуры,

одновременно решает проблему стабилизации амплитуды выходных импульсов ГИ на уровне долей процента. а, следовательно. и напряжения на газоразрядном промежутке, что очень важно с точки зрения интерпретации экспериментальных результатов.

Одной из главных проблем в электронно-оптической фотосъемке свечения, сопровождающего пробой газового промежутка является вопрос совмещения временных шкал полученной фоторазвертки свечения и импульса напряжения, приложенного к газовому промежутку. Был изготовлен катодный узел

оригинальной конструкции: в катодном электроде исследуемого разрядного промежутка (рис. 2) был установлен дополнительный зазор. Вдоль оси этого зазора располагалась керамическая шпилька, по поверхности которой происходил

опережающий пробой, latop предварительно настраивался таким образом, чтобы перекрытие керамики происходило на начальном участке фронта подаваемого импульса при напряжении, составлявшем не более 20% от амплитуды. При этом свет пробоя также регистрировался электронно-оптической камерой, что исполыовалось для создания нулевой отметки на временной шкале фоторазвертки пробоя основного исследуемого промежутка. Это позволило совместить временные шкалы фоторазвертки газового пробоя и высоковольтного импульса напряжения, прикладываемого к промежутку с точностью не хуже 100 пс (для развертки 0.5 нс/см).

Электроды были выполнены из мели. Для привязки канала пробоя к зоне глубины резкости ЭОП по оси полусферических электродов были сделаны цилиндрические выступы диаметром 1 или 2 мм. Пробой происходил в условиях неоднородного электрического поля (рис. 3) у кромки этих выступов. Измерения проводились только после тренировки поверхности электродов несколькими сотнями импульсов высокого напряжения.

Во ВТОРОЙ главе впервые методом высокоскоростной электронно-оггтнчсской хронографии было исследовано свечение, сопровождающее пробой газа (в диапазоне давлений от 4 до 40 атм) пол действием импульсов с фронтом около I не и короче. При этом на разрядный газовый промежуток от генератора импульсов подавались импульсы напряжения амплитудой 70 - 150 кВ. Т.е. эксперименты проводились в условиях высоких перенапряжений.

Главными отличительными особенностями измерений, описанных в настоящей главе, от ранее выполненных метолом электронно-оптической решетрацни измерений в микро и наносскунлном диапазонах являются:

1. время запаздывания пробоя составляет I не и менее, т.е. соизмеримо с длительностью фронта напряжения, прикладываемого к промежутку. В отличие от классических измерений, здесь напряжение на промежутке в стадии запаздывания не является постоянным. Фактически предпробойные явления развиваются одновременно с нарастанием напряжения на промежутке, т.е. пробой происходит непосредственно на фронте импульса напряжения. В этом состоит одна из трудностей, как в методике измерений, так и в интерпретации результатов;

2. более высокие давления газа (от 4 до 40 атм);

3. значительно более высокие перенапряжения (в 2-5 раз по сравнению со статическим пробоем).

На рис. 4 представлены некоторые из полученных в эксперименте фотографий свечения, сопровождающего пробой газа. На этих фотографиях видно, что пробой начинается практически по всему объему газового промежутка в виде однородного или практически однородного свечения слабой интенсивности. Через 300-500 не после появления этого свечения в промежутке начинают распространяться более яркие волны ионизации. То есть, процесс условно можно разделить на две фазы. Назовем такую динамику развития пробоя

пробоем "первого" типа. Следует отметить. '<то такие картинки наблюдаются не всегда. Гораздо чаще свечение начинается в какой-то локальной точке газового зазора или в некоторой его части и затем распространяется в сторону электродов (рис. 5). Будем считать такую динамику развития пробоя пробоем "второго" типа. При одних и тех же

экспериментальных условиях (давление и сорт газа, параметры импульсов напряжения,

конфигурация разрядного

газового промежутка) от импульса к импульсу

наблюдаются оба типа пробоя. Т.е. ситуация носит

статистический характер.

Качественно динамику развития ионизационных волн (рис. 5) можно объяснить следующим образом:

относительно неяркое свечение, появляющееся первым (фаза I на рис. 5а), возникает за счет ионизации газа распространяющимися в нем электронными лавинами. Следует отмепггь. что свечение, сопровождающее первую фазу формирования пробоя, может начинаться как в какой-то локальной точке газового зазора (рис. 5а), так и в значительной части объема газоразрядного промежутка (рис. 5в). В частности, на фотографии (рис. 5а) видно, что первоначально свечение возникло в точке А. отстоящей от катода на расстоянии, составляющем (30-35)% от общей длины межэлектродного зазора. Это говорит о том. что инициирование пробоя происходит одним или несколькими свободными электронами, находящимися в промежутке. И в ряде случаев наблюдается наложение свечения от нескольких волн ионизации вызванных электронными лавинами, возникшими в различных ючках газового промежутка. Электронные лавины искажают электрическое ноле в промежутке и вызывают образование вторичных электронов в зонах усиленного поля. В результате в сторону анода и катода начинают распространяться волны ионизации (катодный {се! и анодные {ав} стримеры) со скоростью около 5x10* см/с (все расчеты скоростей распространения волн ионизации приведены для рис. 5а). Катодный и анодный стримеры достигают поверхности электродов за время в 200-400 пс. После этого

анод

\ / катод

анод

Рис. 4. Развернутые во времени фотографии свечения, сопровождающего пробой газовых промежутков шириной 3.55 мм (азот, 4.5 атм). lia промежуток подавался импульс напряжения с фронтом I не и амплитудой 70 кВ. За нуль временной шкалы принят момент появления свечения в промежутке. В - граница плазменного слоя у катода.

I л шный промежуток перекрывается слабо проводящим плазменным каналом (ж): яркая перемычка возникает между катодом н анодом (фаза 2 рис. 5а). Трудно корректно измерив скорость распространения свечения в плазменном канале, поскольку он имеет время жизни 100-150 пс. а ионизация может идти по всему объему газового зазора одновременно. Наиболее вероятно, что У,с превышает

2x10 ем/е. Образование слабо проводящего

катод

t, нс

Рис. 5. Развернутые во времени фотографии свечения, сопровождающего пробой газовых промежутков шириной 3.55 мм (азот. 4.5 атм) (а,в); компьютерная обработка фотографии с рис. 5а в масииабе 1:1 (б). На промежуток подавался импульс напряжения с фронтом I нс и амплитудой 70 кВ. За нуль временной шкаты принят момент появления свечения в промежутке, cs - катодный стример: ач -анодный стример: ail и ai2 - волны анодной ионизации; ci - волна катодной ионизации.

плазменного каната вызывает распространение двух новых волн ионизации с анода (ail и ai2). Волна ail (фаза За) распространяется со скоростью V.,. - 7x10* см/с. а волна ai2 (фаза 36) со скоростью V„2 = 2x10® см/с. Одновременно с волной ai2. ионизационная волна ci (фаза 36) начинает распространяться со скоростью V0 ■ 2x10* см/с со стороны катода. Эта волна возникает за счет эмиссионных и. вероятно, взрывоэмнссиоиных процессов на поверхности катода. Проведенные численные

расчеты подтверждают это предположение. По всей вероятности, волны ai2 и ci и обеспечиваю! основное

нарастание проводимости искрового канала. При распространении этих волн происходит усиление

электрического поля в центре промежутка в слабоиони-зованной зоне между их границами. В определенный момент времени (конец фазы 36) происходит окончательный пробой этой зоны (ситуация аналогична пробою

электрического конденсатора). В эксперименте конец фазы 36 соответствует току в газовом промежутке -1.4 кА и выше.

Эксперименты были повторены в диапазоне

давлений от 4 до 15 атм. При этом на газовый диод подавались импульсы напряжения с длительностью фронта от 0.5 до 1 не (по уровням 0.1 - 0.9 от амплитуды). Скорость нарастания напряжения на фронте менялась в пределах (7x10° - 2х1014) В/с. Амплитуда импульса приложенного к газовому зазору равнялась 70 - 115 кВ. В таких условиях минимальное время формирования пробоя сокращалось до 500 пс, пропорционально уменьшению длительности фронта, тем не менее, общая картина развития пробоя при этом качественно не менялась в сравнении с вышеописанными экспериментами.

Было проведено численное моделирование физических процессов, имеющих место в газовом зазоре на стадии формирования пробоя. Подробно модель описана в [3]. Решалась система, состоящая из уравнений баланса для концентраций электронов (пе), ионов (п;), возбужденных молекул (п*) и уравнения Пуассона.

Было просчитано несколько вариантов задачи с различными начальными условиями. Расчеты были проведены для межэлектродного промежутка с1=3 мм, к которому прикладывался импульс напряжения амплитудой 70 кВ (140 кВ с учетом удвоения напряжения на предпробойной стадии) и фронтом нарастания Т(=1 не. В результате были получены эмпирические картины свечения, сопровождающего пробой газа, очень хорошо совпадающие с экспериментально наблюдаемыми фоторазвертками свечения пробоя. Следует отметить, что похожий анализ необходимо проводить для каждого наблюдаемого в эксперименте электронно-оптического изображения.

1. В качестве начальных условий было взято равномерное распределение электронов и ионов по объему газового промежутка с концентрацией пе1=103см"3, которая является фоновой для атмосферного воздуха. То есть мы имеем в идеале в каждом кубическом миллиметре газа один свободный электрон. С точки зрения формализма модели равномерное распределение электронов означает, что три свободных электрона находятся в газовом зазоре шириной 3 мм на одинаковом расстоянии друг от друга.

При приложении электрического поля к промежутку электроны начинают дрейфовать к аноду. На рис. 6 и 7 приведены кривые изменения концентрации электронов и напряженности электрического поля в промежутке при развитии разряда. На этих графиках по оси абсцисс отложено расстояние катод-анод. Видно, что на начальной стадии (в первые 0.55 не), когда концентрация электронов в промежутке сравнительно мала, плазменный столб отодвигается от катода на расстояние до 0.25 мм. Концентрация электронов в плазменном столбе (область квазинейтральной плазмы занимающей основной межэлектродный объем) при этом быстро нарастает (рис. 8, участок кривой А). За счет большей подвижности электронов, по сравнению с ионами, между плазменным столбом и катодом образуется зона, обедненная зарядами, в которой концентрация ионов значительно превышает концентрацию электронов. Ионы частично экранируют внешнее поле, ослабляя его в плазменном столбе и усиливая в прикатодной области. В результате замедляется рост концентрации электронов в столбе (рис. 8,

10м Ю-10" 10" 101 <f 1 <f 10' 10* 10» 10е 10*

~ЗГ

0.56нс

025нс

1.0

Te Зл"

к. им

2.5

3.0 А

Рис. 6. Кривые изменения концентрации электронов в газовом промежутке при развитии разряда в случае однородной предионизацни. По оси абсцисс отложено расстояние катод (К) - анод (Л).

li, кВсм

12СО 1000

07мс

0.5бис

00 К

05 10

14 20 я. мм

»0 л

Рис. 7. Кривые изменения напряженности электрического поля в промежутке при развитии разряда в случае однородной предионизацни. По оси абсцисс отложено расстошнс катод (К) - анод (Л).

п.. см

0.0 0.1 0.2 0.Э 0.4 05 0.6 0.7 0.8 1. НС

Рис. 8. Концентрация электронов в плазменном с~олбе в случае однородной пред.юнизации.

Рис. 9. Смоделированное развитие волн ионнзашш и свеченнг в промежутке в случае однородной предионнзлции. Серый фон -видимое свечение газа.

участок кривой Б) и одновременно увеличивается скорость ионизации в прнкатодной обл»стн и поступление туда электронов за счет фотоэмиссии. В результате ионизационная волна (граница плазменного столба) быстро (во временном интервале 0.55 - 0.7 не от начата процесса) приближается к катоду.

4x10*

3«10Г

2x10"

1x10'

С Л не

___0 7 не \

085нс/ 11

у 055 не / 1 / Ч/

У / Оме /___ --1--—г-1

1.1

30 Л

формируя катодный слой, обеспечивающий необходимое поступление электронов в разряд. Искажения поля, вызванные некомпенсированным зарядом юиов. исчезают, иоле е плазменном столбе возрастает, что приводит к усилению процессов ионизации, и концентрация электронов начинает вновь возрастать (рис. 8. участок кривой С).

Согласно данным расчетам, на временной развертке свечения должна наблюдаться равномерная засветка с нарастающей интенсивностью зеего

промежутка за исключением прнкатодной области. На рис. 9 приведена компьютерная

аппроксимация рисунка. В дальнейшем область засгстки должна приближаться к кагоду. Такие электронно-оптические изображения (пробой "первого" типа) наблюдаются в

экспериментах (рис. 4). Однако их общее число не превышает 1015% от всех получетных фотографий. Гораздо чаще наблюдается пробой "второго" типа. Различия, скорее всего, обусловлены тем, что начальные электроны распределены в промежутке неравномерно.

В связи с этим, была решена задача с другими началыыми условиями:

2. 11редполагалось. что только один инициирующий электрон находится в газовом зазоре. Предполагается, что этот электрон находится в небольшой области величиной - 0.1(1 на расстоянии - 1/3 <1 от катода (рис. 10, на рисунке начальная область выделена пунктиром), где с! -межэлектродное расстояние. В остальном объеме газового промежутка концентрация

предполагалась равной нулю, т.е.

Рис. 10. Кривые изменения концентрации электронов в газовом промежутке при развитии разряде в случае неоднородной иредионизации. По оси абсцисс отложено расстояние катол(К)-анод(А).

е. «в/см 1200,

1С«

800

МО

200

ОД не

>____

О 65 не

07нс

00 К

0.5

14 15 2 0 2 5

0-56 не

1.5 X, мм

3.0 А

Рис. 11. Кривые изменения напряженности электрического поля в промежутке при развитии разряда в случае неоднородной предионизации. По оси абсцисс отложено расстояние катод (К) - анод (Л).

предполагалось, что существует флюктуация в распределении фоновых электронов. Такая флюктуация представляется весьма вероятной. Поскольку при фоновой концентрации электронов п.-|=10,см"' их количество в промежутке исчисляется единицами. С точки зрения формализма модели, это соответствует следующим

начальным условиям: п,,= 104см'' на расстоянии 1-1.3 мм от катода и пе,=0 в остальной части газового объема. Выбор области, в которую изначально был помещен инициирующий

электрон. обусловлено тем фактором, что согласно фоторазвертке на рис. 5 свечение начинается именно в этой части газового объема. Аналогичным образом можно поместить инициирующий электрон в любую другую точку газового объема с целью анализа процессов на предпробойной стадии для любой другой фоторазвертки пробоя. Под действием электрического поля электроны дрейфуют к аноду и производят ионизацию газа, оставляя позади себя положительно заряженные ионы, аналогично тому, как это происходит в электронной лавине. В результате электрическое иоле искажается так, что в области максимальной концентрации электронов ноле спадает практически до нуля (рис. 11). Таким образом, рост концогтрацин и дрейф электронов в этой области резко замедляются. По мере приближения к катоду ноле возрастает до максимума, 'по резко усиливает ионизацию в этой области электронами, вылетевшими с катода вследствие фотоэмиссии. Ситуация здесь становится аналогичной предыдущему варианту, то есть происходит приближение нлазменной области к катоду. После формирования катодного слоя, обеспечивающего достаточное поступление электронов с катода, происходит перераспределение электрического поля. Оно усиливается между плазменным столбом и анодом и ослабевает внутри столба. Около плазменного столба в области усиленного поля к моменту времени 0.7 не по различным причинам (убегание, фотоионизацня и. т.п.) может оказаться

некоторое количество электронов. Эти электроны, двигаясь и интснсишю ионизуя

газ, приближают, тем самым, плазменный столб к аноду. При таком развитии событий во временной развертке должны наблюдаться два ионизационных фронта, направленных к катоду и аноду соответственно (рис. 12). Причем, катодонаправленная волна будет двигаться быстрее и раньше достигнет электрода. Такая картина находит качественное экспериментальное подтверждение (см. рис. 5). На рис. 4 и 5 стрелками показана область В. на которой четко видна граница плазменного слоя у катода.

I, не

Рис. 12. Смоделированное развитие волн ионизации и свечения в промежутке в случае неоднородной нреднонизации. Серый фон -видимое свечение газа.

анод

катод

0 I t,uc

1_I_I__

Рис. 13. Развернутые во времени фоготрафин свечения, сопровождающего пробой газового промежутка шириной 1.42 мм (азот, 40 атм). За нуль временной шкалы принят момент появления свечения в промежутке. <1 - длина мсжэлскт родного промежутка.

Особый интерес представляет изучение механизмов инициирования газового пробоя при давлениях в десятки атм. Поскольку наиболее короткие фронты при генерировании высоковольтных импульсов напряжения получают на газовых коммутаторах именно высокого давления. Были проведены эксперименты при давлении азота в экспериментальной камере в (3040) атм. Следует отметить, что 40 атм это рабочее давление обостряющих и срезающих нскровых разрядников генераторов семейства РАДАН. Поэтому такие экспериментальные условия

достаточно актуальны.

На разрядный промежуток подавался импульс напряжения с фронтом (300-400) пс и шириной на полувысотс (1-2) не. Амплитуда импульса приложенного к газовому зазору равнялась 150 кВ. Скорость нарастания напряжения на фронте импульса составляла (4-5)х1014 В/с. Фоторазвертка свечения,

сопровождающего пробой газа, показана на рис. 13. Процесс перекрытия промежутка свечением, в этом случае, также можно отнести к пробою "первого типа". Яркое свечение быстро (за время < 100 пс) заполняет весь промежуток. При этом в деталях рассмотреть на фотографиях самую начальную стадию формирования пробоя (в первые 100 пс) не удается, поскольку ее длительность становится соизмеримой с временным разрешением ЭОП.

Расчеты были проведены для межэлектродного промежутка d=l.4 мм, к которому прикладывался импульс напряжения амплитудой 150 кВ (300 кВ с

Рис. 14. Зависимости концентрации электронов п, (1-4) и длины прикатолной области хс (5) от времени при различных коэффициентах усиления поля (Р> на катоде. I - (5 - 1; 2 - р = 5; 3 - Р = 20; 4 - 0 -40.

учетом удвоения напряжения на предпробойной стадии) и фронтом нарастания Т<"0.3 не. Так же как и в случае 4 атм. у катода формируется слой положительного заряда, искажающий электрическое поле в промежутке. Однако, в силу его малой толщины (х<) (рис. 14) он не в состоянии значительно ослабить

электрическое поле в плазменном столбе (Ер). Вместе с тем. поле в прикатодной области

усиливается до уровня -10' В/см, что приводит к резкому нарастанию тока

автоэлсктронной эмиссии. Когда его величина становится равной току плазменного столба, юлщина катодного слоя падает до уровня Хе-1/а (где а -коэффициент ударной

ионизации). В дальнейшем параметры слоя

«самоподстраиваются» так. чтобы ток автоэмиссии был равен току плазменного столба, то есть разрядному току.

При вычислении тока автоэмисснн нужно иметь в виду, что каждый катод обладает своим коэффициентом усиления электрического поля, обусловленном наличием микроострнй. Типичное значение такого коэффициента (1-10. однако для каждого катода он индивидуален. Поскольку в эксперименте [} не измерялся, то были просчитаны варианты с коэффициентами усиления Р =1, 5. 20. 40. Плотность тока автоэлектронной эмиссии рассчитывалась по формуле Фаулера-Нордгейма. Как показывают расчеты, изменение |3 влияет в основном только на ноле в прикатодной области (Е^) (рис. 1$) практически не меняя качественную картину ионизационных процессов (рис. 14). Таким образом, картина свечения разряда будет качественно соответствовать рис. 9. с той лишь разницей, что темная прикатодиая область будет практически не видна в силу еС малых размеров (-10"' «1 = 0.014 мм). Паспортное предельное пространственное разрешение ЭОПа в динамическом режиме по фотокатоду Э011 на длине волны 1.06 мкм составляет 0.07 мм. По экрану ЭОП разрешение еще несколько

Рис. 15. Зависимости отношения полей в прикатодной области (IV) И плазменном столбе (Ер) к среднему полю Е, ■ и(1)/с1. где 11(1) напряжение на промежутке. (1 -межэлектродное расстояние. 1 - Е^Е», 2 - Е^Е. при Р=1; 3 - Е^/Е.. 4 - Ер/Е, при р=5; 5 • Е«/Е, при |1~20. На вставке приведены зависимости плотности тока от времени. I -2 • Р=20, 3 - Р=40.

снижается.

Таким образом, методом электронно-оптической хронографнн было показано, что длительность прсдпробойной стадии и динамика волновых ионизационных процессов на прсдпробойной стадии коренным образом зависят от начального распределения инициирующих электронов в разрядном промежутке. Было показано, что за счет распространения катодонаправленной волны ионизации, вблизи катода на прсдпробойной стадии на короткое время (до 100 пс) формируется область усиленного поля с напряженностью в 7-15 раз превышающей среднюю напряженность электрического поля в промежутке. В результате такого усиления поля часть плазменных электронов может перейти в режим непрерывного ускорения.

В ТРЕТЬЕЙ главе были проведены эксперименты по регистрации "быстрых" электронов в азоте высокого, вплоть до 40 атм давления. Задача исследования режима непрерывного ускорения электронов в импульсных нано- и субнаносскундном газовых разрядах имеет большое значение для построения корректной физической модели импульсного электрического пробоя сильно перенапряженных газовых промежутков. Электроны в плазме газового разряда приобретают энергию направленного движения от электрического поля и расходуют ее главным образом на ионизацию и возбуждение нейтральных частиц. При высоких значениях отношения напряженности электрического поля к давлению (приведенной напряженности электрического поля) энергия, приобретаемая частью электронов на единице пути, может превышать энергию, отдаваемую в нсуиругих столкновениях с молекулами газа, и эти электроны будут переходить в режим непрерывного ускорения. Такие электроны, называемые "быстрыми" или "непрерывно ускоренными", пересекая разрядный промежуток, интенсивно ионизуют газовую среду по пути следования. При торможении "быстрых" электронов на аноде образуется рентгеновское излучение, инициирующее вторичные электроны и новые волны ионизации. Из-за высокой проникающей способности рентгеновских фотонов новые центры ионизации могут возникать на значительном расстоянии от первичного центра. Все это может существенно ускорить электрический пробой промежутка, по сравнению, например, со стримсрным механизмом.

Быстрые электроны были экспериментально зарегистрированы в конце 60-х годов прошлого века. С тех пор было выполнено множество экспериментальных и теоретических исследований этого явления |4, 5). Мри этом эксперименты выполнялись при атмосферном давлении или в разряженных газах. При давлениях газа выше атмосферного эксперименты на сегодняшний день практически не проводились. Опубликованы лишь несколько работ, в которых регистрировался ток "быстрых" электронов при импульсном разряде в азоте и гелии при давлениях до 4 |6] и 12 |7| атм, соответственно. При этом гелий не используется в качестве рабочего газа в разрядниках высокого давления. Данных о переходе электронов в режим непрерывного ускорения при давлении газа в десятки атм не имеется. Поскольку все современные газовые разрядники работают при давлениях газа в десятки атм. а азот, в настоящее время, наиболее

Рис. 16. Блок-схсма экспериментальной установки. I - малогабаритный 4 не генератор импульсов высокого напряжения РАДАН-ЗОЗА: 2 - формирователь субнаносскунлиых импульсов; 3 - 50-0мнля коаксиальная маслонанолнснная передающая линия; 4 - испытательная камера; 5 - фотоаппарат.

широко применяется в качестве рабочего газа в нано- и субнаносскунлиых разрядниках высокого давления, исследования режима непрерывного ускорения электронов при таких высоких давлениях в азоте, представляются крайне интересными. Создание оптимальных условий для перехода электронов в режим непрерывного ускорения может существенно увеличивать скорость формирования пробоя, что позволит создавать новые типы сверхбыстрых газовых коммутаторов высокого давления.

Для регистрации быстрых электронов при давлениях в десятки атмосфер на базе I К РАДАН-ЗОЗ была сконструирована и изготовлена экспериментальная установка (рис. 16). На выходе генератора установлен субнаносекундный формирователь импульсов с обостряющим и срезающим азотными разрядниками высокого давления. Нагрузкой генератора служат 50-омная передающая коаксиальная линия с масляным заполнением и испытательная камера (газовый диод высокого давления), позволяющая проводить эксперименты по пробою газовых промежутков высокого давления. Импульсное напряжение на выходе ГИ регистрировалось с помощью широкополосных емкостных делителей, встроенных в передающий коаксиальный тракт, соединяющий ГИ и экспериментальную камеру. Для подключения коаксиальных кабелей в делителях использован соединитель SMA типа. Длина передающей линии (40 см) и расположение емкостных делителей были выбраны гак. чтобы разнести во времени импульс напряжения с выхода ГИ и импульс, отраженный от исследуемого газового зазора. Измерения проводились осциллографом Tektronix ПРО 7254 (полоса пропускания 2.5 ГГц) методом рефлсктометрни импульсов напряжения.

Конфигурация разрядного газового промежутка схематично показана на рис. 17. Внешний узел регулировки позволяет плавно регулировать величину разрядного промежутка путем перемещения катода без разгерметизации корпуса.

4 3 2

Рис. 17. промежутка

В экспериментах применялся катод с радиусом закругления вершины 10 мм. Я специально выбрал катод большого радиуса. чтобы сформировать в разрядном промежутке достаточно

однородное электрическое поле и исключить усиленное образование электронных лавин в областях усиленного поля, возникающих из-за геометрии катода. Плоский анод был выполнен из сетки (толщина проволоки 50 мкм. размер ячейки 100 мкм). Материал электродов -нержавеющая сталь. Для регистрации пучка "быстрых" электронов и рентгеновских квантов. образующихся при торможении части электронного пучка на аноде, за анодом был размещен рентгеновский люминофор (слой кристаллофосфора 7.п8-С<18:Л$ толщиной 300 мкм нанесенный на белую бумагу толщиной 270 мкм). Люминофор помещался бумажным слоем к сетке. Свечение, возникающее на люминофоре при пробое газового зазора, фотографировалось через окно из оргстекла. Для визуальною наблюдения и фотографирования свечения газа во время разряда (искры) были предусмотрены боковые окна.

К исследуемому газовому (азот) промежутку прикладывался импульс напряжения амплитудой 100 кВ, длительностью на полувысоте 400-450 пс, с фронтом (по уровням 0.1 - 0.9 от амплитуды) 230- 250 пс. Скорость нарастания напряжения на фронте импульса составляла (3.3-3.5) х 1014 В/с. Во время эксперимента параметры импульса не менялись.

Было показано, что при субнаносекунлном пробое сильнопсрснапряжснных газовых промежу|ков высокою, вплоть до 40 атмосфер, давления в плазме газового разряда рсшстрнруется пучок "быстрых" электронов. При этом, "быстрые" электроны регистрируются во всех пробоях газового зазора, при которых между электродами образуется искра. На рис. 18 показана люминесценция экрана под действием пучка быстрых электронов. При этом, люминофор светится именно под действием пучка быстрых электронов. Вклад в люминесценцию экрана за счет рентгеновского излучения, возникающего при

Конфигурация разрядного газового диода высокого давления: I окно для фотографирования свечения люминофора: 2 - люминофор (слой кристаллофосфора ZnS-t"dS:Лg толщиной 300 мкм нанесенный на белую бумагу толщиной 270 мкм); 3 — алюминиевая фольга; 4 - сетка из нержавеющей стали (анод); 5 -подвижный катод из нержавеющей стали с радиусом закругления вершины 10 мм. и ■ 1.65 н 2.5 мм.

торможении пучка быстрых электронов на аноде минимален. В пользу этою факта говорят следующие экспериментальные факты:

а) эксперименты, проведенные с использованием фильтра (алюминиевая фольга толщиной 15 мкм) между анодом и люминесцентным экраном, показали значительное ослабление яркости свечения экрана. В этом случае свечение наблюдается только в диапазоне давлений 1-30 атм, а не 1-40 атм. При этом фольга практически прозрачна лля рентгеновского излучения. В случае люминесценции экрана под действием только рентгеновского излучения снижения яркости экрана не лолжио наблюдаться.

б) при некоторых пробоях мы наблюдаем не одну, а до трех электронных лавин (рис. 18, г-д). Особенно часто это происходит при относительно небольших пробивных напряжениях или в диапазоне давлений газа 1-20 атм. Поскольку размер святящегося пятна на люминофоре не превышает 4-7 мм. а рентгеновские фотоны летят в произвольных

направлениях, при регистрации рентгеновского излучения не удалось бы получить изображение нескольких лавин с хорошим пространственным разрешением. Было бы зарегистрировано только одно "размытое" пятно.

Впервые был зарегистрирован откол материала с тыльной стороны анода (алюминиевая фольга толщиной 9 мкм) под действием пучка быстрых электронов формирующихся в газе высокого давления. Пучок высокоэнергетичных электронов при прохождении через фольгу вызывает ударную волну и вырывает с обратной стороны фольги частицы металла. При этом фольга-анод оставалась

(»>

* 00 *

Рис. 18. Фотографин свечения люминофора под действием пучка "быстрых электронов". Зазор I.6S мм. Азот: 40 атм. Приведенная средняя напряженность электрического поля в промежутке 36 В/(см Горр) (а); 18 атм. (б.гл); 18 атм. Фильтр (Л1 фольга толщиной 15 мкм) между анодом и люминофором (в).

целой. Отверстия в ней не образовывались. На рис. 19 покатаны фотографии полимерной пленки, помешенной та фильтром. В результате бомбардировки оторвавшимися микрочастицами в полимере образовались круговые тоны ударной деформации. В результате пленка в отраженном свете (рис. 19а) приобрела характерный металлический блеск. Радиус пятен модифицированного материала составлял до 100 мкм, а микрочастица алюминия находилась вблизи центра пятна. Типичный размер микрочастиц - (1-5) мкм (рис. 19). Максимальный - (15-20) мкм. Микрочастицы имеют неровную форму с рваными краями. Микрочастицы оказалось достаточно сложно сфотографировать: они имеют толщину в единицы - доли микрометра и полупрозрачны для света. Кроме того, микрочастицы внедрены в пленку на разную глубину и одновременно не попадают в тону резкости микроскопа. Тыльный откол материала анода пучком непрерывно ускоренных электронов в газах до настоящего времени не наблюдался. Тыльный откол материала анода под действием пучка платменных электронов был тафиксирован ранее только при субнаносскундном пробое вакуумных диодов с осфийным катодом |8]. Процесс очень похож на откол

/> I • ■ •> -

;

Ж ШЫ$

., * у fr W«'

ШШ

■ЫР Ш*

(

Рис. 19. Фрагмент (один и тот же) полимерной пленки с микрочастицами алюминия, обратовавиимися в ретультате тыльного откола Л1 фильтра толщиной 9 мкм под действием пучка "быстрых" электронов (а. б). Сфотографирован край пятна. Микрочастицы алюминия (в-д). Фотографии получены в отраженном (а) и проходящем (6-д) свете с помощью микроскопа OLYMPUS BX5ITRF-5. Рабочий газ - атот, 10 атм. Приведенная средняя напряженность элсктри геского поля в промежутке (43-62) В/(см Topp).

материала с обратной стороны мишени, попавшей в нее пулей. Тормозное рентгеновское излучение не может инициировать тыльный откол анода. Это еще раз говорит, что мы регистрируем именно пучок "быстрых" электронов.

В ЧЕТВЕРТОЙ главе проведены экспериментальные исследования поведения газового промежутка при приложении к нему субнаносекундных импульсов напряжения. В настоящее время в литературе практически нет работ по этой проблеме. Любая информация, даже просто определение пороговых напряжений пробоя при воздействии субнаносекундных импульсов амплитудой свыше 100 кВ, представляет существенный интерес. Поэтому здесь основная идея работы сводилась к накоплению новой экспериментальной информации по пробою под действием субнаносекундных импульсов.

В этих экспериментах на разрядный газовый промежуток с однородным распределением электрического поля подавался субнаносекундный импульс высокого напряжения с фиксированными в течение всего эксперимента параметрами: амплитудой 102 ± 2 кВ, длительностью на полувысоте 380-400 пс, с фронтом (по уровням 0.1 — 0.9 от амплитуды) около 250 пс. Измерения проводились осциллографом Tektronix TDS 6604 (полоса пропускания 6 ГГц) методом рефлектометрии импульсов напряжения. В эксперименте менялись величина зазора катод-анод (с шагом в 0.1 - 0.2 мм) и давление газа. Эксперимент начинался при минимальном зазоре в 0.25 мм и увеличивался при фиксированном давлении газа с указанным выше шагом до тех пор, пока газовый промежуток не переставал пробиваться. Потом этот эксперимент повторялся при другом давлении газа. Эксперименты проводились при атмосферном давлении, 5 атм, 10 атм, 20 атм, 30 атм и 40 атм. В результате, был получен набор данных по пороговым напряжениям Unop, при которых начинают регистрироваться существенные токи в газовом промежутке при воздействии субнаносекундных импульсов (таблица 1); временам формирования пробоя tform (рис. 20) и временам tKoMM и скоростям коммутации (таблица 2) в зависимости от перенапряжения промежутка. Эти данные легко обрабатывать и обобщать, поскольку использовались один и тот же генератор импульсов, электроды и газовый зазор одной конфигурации, и одна схема регистрации. Полученный массив данных может быть использован при конструировании газовых разрядников высокого давления в виде справочного материала. Следует отметить, что ранее такие эксперименты не проводились даже в хорошо изученном наносекундном диапазоне. Данные накапливались в разных экспериментах, в которых использовались генераторы разных типов, разная измерительная аппаратура, кабели, делители напряжения, а затем уже результаты обобщались. В итоге, в данных, полученных различными экспериментальными группами, часто наблюдались различия и не стыковки.

Эксперименты показали, что в субнаносекундном диапазоне при неизменной ширине разрядного газового промежутка с ростом давления с 1 атм до 40 атм значительно падает перенапряжение на промежутке (приведенная напряженность электрического поля в момент пробоя уменьшается в 30 раз) (таблица 1). При этом время формирования пробоя увеличивается лишь примерно

Таблица 1. где Unop - напряжение коммутации; Ullop тт - Unop max - разброс напряжения коммутации; Епор - напряженность электрического поля в момент пробоя; ЕПОр min - Епор тах - разброс напряженности электрического поля в момент пробоя; Епор/р - приведенная напряженность электрического поля в момент пробоя; EnopmiI/p - Enopmax/p — разброс приведенной напряженности электрического поля в момент пробоя

№ Зазор, мм Р. атм Unop» кВ Unop min ~ Unop man KB Eoopt MB/см Enopmio " Enop max» MB/CM Ецор/р> MB/(CM атм) Enop min/p " Enop niüv'P* МВ/(см атм)

1 0.25 40 85.5 79.55989.505 3.45 3.18-3.58 0.0855 0.0795-0.0895

2 0.5 40 122 117.35127.296 2.44 2.35-2.55 0.061 0.0588-0.0638

3 0.75 40 151.164 143.2155.142 2.02 1.9-2.067 0.0505 0.0475-0.0517

4 0.85 40 155 151.164167.076 1.824 1.7761.964 0.0456 0.0444-0.0491

5* 0.95 40 159 155.142163.098 1.674 1.6331.717 0.0419 0.0443-0.0408

6 0.25 30 75.582 69.61583.538 3.02 2.784-3.34 0.1007 0.0928-0.1113

7 0.5 30 115.362 107.406119.340 2.3 2.148-2.38 0.0767 0.0716-0.0793

8 0.75 30 147.186 135.252151.164 1.96 1.8-2.013 0.0653 0.06-0.0671

9 0.95 30 159.120 151.164167.076 1.674 1.5891.758 0.0558 0.053-0.0586

10 1.05 30 163.098 155.142171.054 1.553 1.4761.629 0.0518 0.0492-0.0543

11 0.25 20 63.648 55.69269.615 2.544 2.2282.784 0.1272 0.1114-0.1392

12 0.5 20 103.428 93.483107.406 2.06 1.87-2.14 0.103 0.0935-0.107

13 0.75 20 127.296 123.318135.252 1.7 1.64-1.8 0.085 0.082-0.09

14 0.95 20 151.164 143.208163.098 1.589 1.5051.716 0.0795 0.0753-0.0858

15 1.05 20 155.142 143.208167.076 1.476 1.362-1.59 0.0738 0.0681-0.0795

16 1.15 20 159.120 155.142167.076 1.383 1.3481.452 0.0692 0.0674-0.0726

17 1.25 20 159.120 155.142167.076 1.383 1.3481.452 0.0692 0.0674-0.0726

18 * 1.35 20 159.120 155.142167.076 1.383 1.3481.452 0.0692 0.0674-0.0726

19 0.25 10 49.73 42.76355.692 1.988 1.712-2.2 0.1988 0.1712-0.22

20 0.5 10 75.582 72.689.6 1.512 1.45-1.79 0.1512 0.1712-0.22

21 0.75 10 111.384 99.45127.3 1.48 1.3271.693 0.148 0.1327-0.1693

22 0.95 10 139.23 123.32159.12 1.463 1.2951.674 0.1463 0.1245-0.1674

23 1.05 10 147.186 123.32161.11 1.4 1.1711.533 0.14 0.1171-0.1533

24 1.15 10 159.120 139.23169.07 1.383 1.209-1.47 0.1383 0.1209-1.47

25 1.25 10 163.098 147.2167.08 1.304 1.1761.336 0.1304 0.1176-0.1336

26 1.35 10 163.098 151.16171.05 1.207 1.1191.267 0.1207 0.1119-0.1267

27 1.45 10 167.076 151.164171.05 1.077 1.0411.179 0.1077 0.1041-0.1179

28 * 1.55 10 167.076 155.14175.03 1.077 1-1.129 0.1077 0.1-0.1129

29 0.25 5 56.65 49.72563.648 2.264 1.9892.546 0.4528 0.3978-0.5888

30 0.5 5 83.538 79.5689.505 1.67 1.5911.790 0.334 0.3182-0.358

31 0.75 5 107.296 99.45119.34 1.427 1.3261.591 0.2854 0.2652-0.3182

32 0.95 5 143.184 127.296159.120 1.505 1.34-1.675 0.301 0.268-0.335

33 1.05 5 151.164 139.230159.120 1.438 1.3241.514 0.2876 0.2652-0.303

34 1.15 5 155.142 147.186171.054 1.348 1.28-1.487 0.2696 0.256-0.2974

35 1.25 5 159.12 151.164171.054 1.272 1.2091.368 0.2544 0.2418-0.2736

36 1.35 5 163.098 151.164167.076 1.207 1.12-1.238 0.2414 0.224-0.2476

37 * 1.45 5 159.12 155.142171.054 1.097 1.07-1.18 0.2194 0.214-0.236

38 * 1.55 5 167.076 159.12171.054 1.077 1.0271.104 0.2154 0.2054-0.2208

39 * 1.65 5 173.08 171.054175.032 1.048 1.0371.061 0.2096 0.2074-0.2122

40 * 1.75 5 167.076 159.120175.032 0.954 0.909-1 0.1908 0.1818-0.2

41 * 1.85 5 171.054 159.120175.032 0.92 0.86-0.946 0.184 0.172-0.1892

42 0.25 1 59.67 47.73681.549 2.388 1.908-3.26 2.388 1.908-3.26

43 0.5 1 79.56 49.725119.34 1.592 0.994-2.38 1.592 0.994-2.38

44 0.75 1 111.384 95.472- 1.48 1.273-1.8 1.48 1.273-1.8

135.252

45 0.95 1 127.296 99.45143.208 1.337 1.0471.505 1.337 1.047-1.505

46 1.05 1 131.274 111.384151.164 1.248 1.0481.438 1.248 1.048-1.438

47 1.15 1 143.208 95.472159.120 1.243 0.8261.383 1.243 0.826-1.383

48 1.25 1 143.208 127.296163.098 1.168 1.0161.305 1.168 1.016-1.305

49 1.35 1 143.208 119.340163.098 1.059 0.8811.208 1.059 0.881-1.208

50 1.45 1 155.142 127.296167.076 1.069 0.8761.152 1.069 0.876-1.152

51 1.55 1 151.169 143.208175.032 0.974 0.9231.129 0.974 0.923-1.129

52 1.65 1 151.169 119.34167.076 0.915 0.7211.012 0.915 0.721-1.012

53 1.75 1 159.12 143.208167.076 0.908 0.8170.903 0.908 0.817-0.903

54 1.85 1 155.142 127.296171.054 0.838 0.6860.924 0.838 0.686-0.924

55 1.95 1 151.169 135.252175.032 0.774 0.6920.897 0.774 0.692-0.897

56 2.05 1 167.076 151.164175.032 0.815 0.7360.854 0.815 0.736-0.854

57 2.15 1 167.076 143.208175.032 0.777 0.68-0.814 0.777 0.68-0.814

58 2.25 1 167.076 143.212175.032 0.74 0.6360.778 0.74 0.636-0.778

59 2.35 1 167.076 151.164179.016 0.710 0.6430.762 0.710 0.643-0.762

60 2.45 1 171.054 147.186179.010 0.698 0.6-0.731 0.698 0.6-0.731

61 2.65 1 171.054 155.142179.010 0.645 0.5850.675 0.645 0.585-0.675

* в таблице помечены данные, в которых пробой наступает не во всех экспериментах.

на 40-50% (рис. 20), а время коммутации, и, соответственно, скорость коммутации остаются практически неизменными (таблица 2). Уменьшение перенапряжения с ростом давления можно объяснить двумя причинами:

1. При повышении давления, как видно из таблицы 1, увеличивается средняя напряженность электрического поля в промежутке в момент пробоя, что приводит к увеличению автоэмиссионного тока с катода, снижающего степень перенапряжения промежутка.

2. При повышении давления увеличивается скорость ионизационных процессов в газе, что также снижает степень перенапряжения промежутка.

I ■ I ■ I ■ 1 ■ I ' I

I ' I ' I

) - I ' I ' I ' Г ' г

-1

025 050 04 |Ш II) 190 1 75 2 00 223 230 275 Ржспмшк кОТОД-ШКЛ. им

Рис. 20. Зависимость времени формирования пробоя от расстояния катод-анод.

• 5 10 15 20 23 И) Я «I |ч], аш мм

Рис. 21. Зависимость порогового напряжения коммутации от произведения давления на расстояние катод-анод (кривая Пашена). Давление аюта для кривых: I - I атм; 2 — 5 атм; 3-10 атм; 4-20 атм; 5-30 атм; 6 -40 атм.

Была получена зависимость порогового напряжения коммутации в азоте от произведения давления р на величину

разрядного газового промежутка (1 (кривая Пашена |9|) для субнаиосекундного диапазона (рис. 21). В литературе |9) пороговые напряжения коммутации еще часто называют пробивающими напряжениями или потенциалом зажигания. При этом потенциал зажигания определяется только произведением рс1. В этом проявляется закон подобия. Было показано, что в субнаносскундном диапазоне закон подобия нарушен. При одинаковом значении произведения давления на величину разрядного газового промежутка потенциал зажигания существенно зависит 01 давления гага в промежутке.

Таблица 2.

№ Зазор, мм Р. атм (»ММ ПО уровням 0.9-0 от амплитуды, ПС («ОМ» ПО уровням 0.90.1 от амплитуды. ПС Скорость коммутации. В/с вычислена по уровням 0.9-0.1 от амплитуды

1 0.25 40 101 84.6 0.775x10"

2 0.5 40 84.6-92.7 72.5-80 (1.165-1.36)х10"

3 0.75 40 88.7 76.6 1.579x10"

4 0.85 40 97-133 80.6-116.9 (1.061-1.538)х10и

5* 0.95 40 93-201.5 84.6-177.32 (0.717-1.503)х10"

6 0.25 30 96.7 80.6 0.75x10

7 0.5 30 96.7 80.6 1.145x10"

X 0.75 30 88.7 811.6 1 461\ К) '

9 0.95 30 96.7 84.6 1.505x10"

10 1.05 30 96.7-149 84.6-129 (1.011-1.542)хЮ'*

11 0.25 20 88.6 80.6 0.63x10('

12 0.5 20 84.6 72.5 1.141x10"

13 0.75 20 84.6 68.5 1.487x10"

14 0.95 20 76.6 72.5 1.668x10"

15 1.05 20 88.66 80.6 1.54x10"

16 1.15 20 96.7 80.6 1.658x10"

17 1.25 20 96.7-205.5 88.6-173.3 (0.771-1.508)х10"

18* 1.35 20 137-189 125-181 (0.738-1.0691x10"

19 0.25 10 84.6 72.5 0.47x1 о'5

20 0.5 10 88.7 76.6 0.789x10"

21 0.75 10 88.7 76.6 1.164x10"

22 0.95 10 72.5 64.48 1.727x10"

23 1.05 10 72.5 64.5 1.826x10"

24 1.15 10 88.7 80.6 1.579x10|4

25 1.25 10 84.6-96.7 76.6-96.7 (1.349-1.703)х10"

26 1.35 10 76.6-161 68.5-141 (0.925-1.905)хЮ15

27 1.45 10 92-161.2 80.6-141 (0.948- 1.658)х10"

28* 1.55 10 177.3 161.2 0.830x10"

29 0.25 5 68.5 60.5 0.845x10"

30 0.5 5 84.6 68.5 0.976x10"

31 0.75 5 72.5 64.5 1.331x10"

32 0.95 5 84.6 76.6 1.495x10"

33 1.05 5 72.5 64.5 1.875x10"

34 1.15 5 76.6 64.5 1.924x10"

35 1.25 5 76.6 68.5 1.858x10"

36 1.35 5 80.6 72.5 1.858x10"

Л 7 1.45 5 76.6-169 68.5-149 (0.876- 1.905)х 10"

38 1.55 5 84.6-165 76.6-145 (0.922-1.745)хЮ"

39 1.75 5 84.5-157 72.5-137 (1.011-1.911x10"

40 1.85 5 153 133 1.029x101'

* в таблице помечены данные, в которых пробой наступает не во всех экспериментах.

К ПЯТОЙ главе было покачано о лип ил практических применений субнаносекундных импульсов напряжения. Известно, что электрическая прочность практически любой среды возрастает при уменьшении длительности импульса. В итоге в субнаносекундном диапазоне оказывается возможным создавать уникальные малогабаритные импульсные электрофизические устройства, разработка которых уже в наиосекуидном диапазоне оказывается невозможной. Одним из таких приборов является импульсный рентгеновский аппарат с миниатюрной трубкой-излучателем, соединенной с источником

К осциллографу

СЗ-6—&<

РАДАН-ЗОЗ

11^

Рис. 22. Влок-схсма субпаносскундиого рентгеновского аппарата с гибким кабельным зондом-излучателем: I - взрывоэмисснонный диод; 2 -коаксиальный кабель РК50 длиной 1 м; 3 - узел согласования; 4 -субнаносскундный <|юрмирователь импульсов; 5 - малогабаритный генератор импульсов высокого напряжения РАДАН-ЗОЗ. В случае использования малогабаритного генератора импульсов высокого напряжения РАДАН-'JKCIIF.PT узел 4 отсутствовал.

высоковольтных импульсов напряжения посредством тонкого шинного гибкого низковольтного коаксиального кабеля. Идея создания такого прибора была предложена в 1979 г. в работах (10-11). Но одним из основных препятствий к созданию действующих образцов субнаносскундных рентгеновских

аппаратов с гибким зондом-излучателем стало отсутствие серийно выпускаемых миниатюрных (с размерами в несколько миллиметров) импульсных рентгеновских трубок. Самые компактные, из имеющихся на сегодняшний день, промышленные наносскундныс трубки серии ИМА имеют диаметр более 38 мм и длину 40-130 мм. Из-за своих размеров они не подходят для указанных выше целей. Поэтому этот перспективный прибор так и не был созлан.

На базе малогабаритных генераторов импульсов напряжения серии РАДАН (РАДАН-ЗОЗ, РАДАН-ЭКСПЕРТ) были разработаны лабораторные образцы такого аппарата (рис. 22, 23). Миниатюрная

Рис. 23. Фотография лабораторного образна рентгеновского аппарата на базе малогабаритного генератора импульсов высокого напряжения РАДАН-ЭКСПЕРТ с отпаянным вакуумным взрыво-эмиссионным диодом в качестве рентгеновского излучателя.

(а)

А.

2Р~

12.« 4 9 6 1

» 10 II 12 I)

Ржфажеттмй ГЖ1,

■1Ш

Рис. 24. Взрывоэмисснонный диод с непрерывной откачкой.

Коаксиальный кабель (1 - наружная изоляция, 2 - оплетка. 3 - внутренняя изоляция, 4 - жила); 5 - земляная шниа; 8 - шланг из вакуумной резины: взрывоэмисснонный диод (6

- стеклянный корпус из кварцевого стекла толщиной 1 мм; 7 - трубчатый анод; 9 - катод с плунжерным контактом; II и 12 - вольфрамовые электроды. изготовленные из проволоки диаметром 0.8 мм; 10 и 13

- никелевая фольга). Детали 7.9 - 13 собираются контактной сваркой. Детали 6.7 и 9 фиксируются эпоксидным клеем.

Рис. 26. Отпаянные вакуумные вэрывоэмиссионные диоды с регулируемым (а) межэлектродным зазором (регулировка осуществляется внешним магнитом или постукиванием по корпусу диода) и с фиксированным межэлектродным зазором (б). На рис. 26.а: 1 и 7 -коваровые вводы: 2 -стеклянный корпус; 3 - никелевая трубка: 4 - вольфрамовый катод диаметром 0.8 мм; 5 - вольфрамовый анод (фольга); 6 - гайка из нержавеющей стали. Детали 1.3 -4 и 5 - 6 собираются контактной сваркой. На рис. 26.6: I и 2 -коваровые вводы; 3 -стеклянный корпус; 3 - никелевая трубка; 4 - вольфрамовый катод диаметром 0.8 мм; 5 - вольфрамовый анод диаметром 0.8 мм. Детали I - 5 и 2-3 собираются контактной сваркой.

трубка-излучатель. соединялась с

Ф источником высоковольтных импульсов

напряжения посредством серийно выпускаемого тонкого 50-0мною низковольтного радиочастотного

коаксиального кабеля (РК50) длиной I м. При этом использовался как опыт применения низковольтных

коаксиальных кабелей для передачи субнаносскундных импульсов высокого напряжения, полученный в главе 2. так и разработанные узлы согласования кабель - коаксиальная масляная линия.

Рис. 25. Фотографии откачиваемых взрывоэмиссионных диодов.

Pite. 27. Фотографин отпаянных вакуумных взрывоэмиссионных ДИОДОВ.

Í \1 i

й h ч «

1—■—I—'—I—■—I—'—I—'—

О 02 04 06 и* Ю I'm ИЧШМ KiUUI'OMUI. им

Рнс. 28. Зависимость дозы рентгеновскою излучения от межэлектродного расстояния

рентгеновской трубки. Ромбы -рентгеновская трубка, работающая в условиях разряженного воздуха I Па. Кружки - отпаянная вакуумная pcirrrcuoDCKaH трубка. Стабильность дозы рс1птеновского излучения при оптимальных условиях

эксплуатации (при межэлектродном расстоянии 0.22 мм) составляет 5-I0%l Измерения проводились конденсаторным дозиметром 54IR производства фирмы "The Victoreen Instrument Со" (США).

В качестве рентгеновского излучателя использовались

миниатюрные (до 9 мм в диаметре) взрывоэмиссионныс диоды (рнс. 24-27). Экспериментальные исследования режимов работы взрывоэмнсснонного диода проводились на рентгеновском аппарате созданном на базе ГИ РАДАН-303. На рентгеновский излучатель подавался импульс напряжения амплитудой 60-1I5 кВ, длительностью на полувысотс 0.4-0.5 не, с фронтом (по уровням 0.I - 0.9 от амплитуды) 0.20.25 не. Было показано, что взрывоэмиссионныс диоды можно использовать в качестве источников субнаносекундного рентгеновского излучения в широком диапазоне параметров питающих диод импульсов высокого напряжения. Исследовались взрывоэмиссионныс диоды с различной конфигурацией межэлектродного

промежутка. Зависимость дозы субнаносекундного рентгеновского излучения от мсжэлсктродного расстояния для диода катод (стержень) - анод (плоскость) показана на рис. 28. Было показано, что взрывоэмиссионный диод может устойчиво работать в качес т ве субнаносекундного

рентгеновского излучателя в широком диапазоне условий в разрядном промежутке: от высокого вакуума (остаточный вакуум Ю'5 Па) до газа низкого давления (I Па). При этом величина полученной лозы рентгеновского излучения у взрывоэмиссионных диодов с одинаковой конструкцией разрядного промежутка остается постоянной. На сегодняшний день нет промышленных рентгеновских трубок с холодным катодом, которые работают при таких высоких давлениях газа в разрядном промежутке. Показано, что основная

часть дозы рентгеновского излучения приходится на мягкое рентгеновское излучение. Более половины рентгеновских фотонов имеют энергию менее 60 кэВ. Было исследовано влияние способов обработки поверхности электродов на эффективность работы диодов.

Генераторы РАДАН способны работать с частотой следования импульсов до 100 Гц, что позволяет накапливать дозу рентгеновского излучения до значений, необходимых для практического применения. Основными преимуществами рентгеновского аппарата субнаносекундного диапазона с миниатюрной трубкой-излучателем, соединенной с источником высоковольтных импульсов напряжения посредством тонкого гибкого коаксиального кабеля по сравнению с традиционными наносекундными рентгеновскими аппаратами являются:

(а) Уменьшенные габариты и вес (от 10 до 32 кг в нашем исполнении). И эти параметры еще могут быть уменьшены при использовании генераторов импульсов с меньшим (70-80 кВ) выходным напряжением в частотном режиме работы;

В ЗАКЛЮЧЕНИИ сформулированы основные результаты и выводы, полученные в работе:

1. Впервые методом высокоскоростной электронно-оптической хронографии было исследовано свечение, сопровождающее пробой газа (в диапазоне давлений от 4 до 40 атм) под действием импульсов с фронтом около 1 не и короче. Оценены скорости волновых ионизационных процессов и изучена динамика развития волн ионизации на стадии формирования пробоя. Измерения проводились в условиях больших перенапряжений. На разрядный газовый промежуток от генератора импульсов подавались импульсы напряжения амплитудой 70- 150 кВ.

2. Показано, что за счет распространения катодонаправленной волны ионизации, вблизи катода на предпробойной стадии на короткое время формируется область усиленного поля с напряженностью в 7-15 раз превышающей среднюю напряженность электрического поля в разрядном промежутке. В результате

такого усиления поля, часть плазменных электронов может перейти в режим непрерывного ускорения.

3. Показано, что при субнаносекундном пробое сильноперенапряженных газовых промежутков высокого, вплоть до 40 атмосфер, давления в плазме газового разряда регистрируется пучок "быстрых" или "непрерывно ускоренных" электронов. При этом, "быстрые" электроны регистрируются во всех пробоях газового зазора, при которых между электродами образуется искра. Ранее при таких высоких давлениях газа "быстрые" электроны не регистрировались. В экспериментах применялись электроды, обеспечивающие формирование в разрядном промежутке электрического поля с однородной конфигурацией. Переход электронов в режим непрерывного ускорения происходил за счет перераспределения поля и его локальных усилений при распространении в разрядном промежутке волн ионизации.

8. На базе малогабаритных генераторов импульсов напряжения серии РАДАН разработаны лабораторные образцы субнаносекундного рентгеновского аппарата с миниатюрной (до 9 мм диаметром) трубкой-излучателем, соединенной с источником высоковольтных импульсов напряжения посредством серийно выпускаемого тонкого гибкого 50-0много низковольтного радиочастотного коаксиального кабеля (РК50) длиной 1 м. В качестве рентгеновского излучателя использовались миниатюрные взрывоэмиссионные диоды.

9. Показано, что взрывоэмисснонные диоды можно использовать в качестве источников субнаносекундного рентгеновского излучения в широком интервале параметров питающих диод импульсов высокого напряжения. При этом величина полученной дозы рентгеновского излучения в диодах с одинаковой конструкцией разрядного промежутка остается постоянной в широком диапазоне условий: от высокого вакуума (остаточный вакуум 10"5 Па) до газа низкого давления (1 Па).

В заключение, выражаю свою глубокую признательность члену-корреспонденту РАН Валерию Григорьевичу Шпаку, заведующему лабораторией электронных ускорителей ИЭФ УрО РАН, за внимание и помощь при выполнении данной работы; члену-корреспонденту РАН Михаилу Ивановичу Яландину и к.т.н. Сергею Афанасьевичу Шунайлову, за многочисленные советы и предоставленные для работы импульсные генераторы РАДАН; Константину Анатольевичу Шарыпову за помощь в проведении измерений; д.ф.-м.н. Евгению Александровичу Литвинову, к.ф.-м.н. Василию Викторовичу Лисенкову и д.ф.-м.н. Юрию Дмитриевичу Королеву за полезное обсуждение результатов работы и помощь в их теоретической интерпретации; д.т.н. Вадиму Львовичу Кузнецову, д.т.н. Александру Леонидовичу Филатову и к.ф.-м.н. Виктору Васильевичу Уварину за помощь в изготовлении отпаянных взрывоэмиссионных рентгеновских трубок; Ольге Романовне Тимошенковой и к.ф.-м.н. Айдару Марксовичу Мурзакаеву за фотографии сделанные ими в растровом электронном микроскопе; к.ф.-м.н. Вячеславу Владимировичу Платонову за фотографии, выполненные на микроскопе OLYMPUS; Михаилу Евгеньевичу Балезину за анализ образцов поглощенной дозы фотонного и электронного излучений; д.ф.-м.н. Николаю Борисовичу Волкову и д.ф.-м.н. Владимиру Васильевичу Осипову за ряд полезных замечаний; всем сотрудникам лаборатории электронных ускорителей за помощь и поддержку диссертационной работы.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты №99-02-16462-а, №04-02-08038-офи, №05-02- 16477-а, №08-02-00982-а, №09-08-00374-а, №12-08-00282-а) и Уральского отделения РАН (2 гранта). В пяти грантах диссертант был руководителем.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи:

1. Ivanov S. N. Transition of Electrons to the Mode of Continuously Acceleration at Subnanosecond Pulse Electric Breakdown in High-Pressure Gases / S. N. Ivanov // Journal of Physics D: Applied Physics. - 2013. - Vol. 46, № 28 -285201 (6 pp).

2. Ivanov S. N. Subnanosecond X-ray apparatus with flexible cable radiator probe based on small-size explosive emission vacuum diode / S. N. Ivanov, G. A. Mesyats, V. G. Shpak // Journal of Instrumentation. - 2011. - Vol. 6. - P. 1-14.

3. Ivanov S. N. Streak Images of the Initial Phase of a Subnanosecond Pulsed Electrical Breakdown of Nitrogen / Ivanov S. N., Shpak V. G. // IEEE

Transactions on Plasma Science. - 2011. - Vol. 39, № 11. - Part 1. - P. 2596 -2597.

4. Иванов С. H. Динамика развития субнаносекундного импульсного электрического пробоя газовых промежутков в случае равномерной предионизации газа / С. Н. Иванов, В. В. Лисенков // ЖТФ. - 2010. - Т. 80, № 1.-С. 54-58.

5. Ivanov S. N. Streak investigations of the initial phase of a subnanosecond pulsed electrical breakdown of high-pressure gas gaps / S. N. Ivanov, V. V. Lisenkov and V. G. Shpak // Journal of Physics D: Applied Physics. - 2010. - V. 43, № 31 -315204,-(10 pp).

6. Королев Ю. Д. Субнаносекундные процессы в стадии формирования пробоя в газе при высоком давлении / Ю. Д. Королев, Н. М. Быков, С. Н. Иванов // Физика плазмы. - 2008. - Т. 34, № 12. - С. 1104 - 1109.

7. Иванов С. Н. Электронно-оптические исследования начальной фазы субнаносекундного импульсного электрического пробоя газовых промежутков / С. Н. Иванов, В. В. Лисенков, В. Г. Шпак // ЖТФ. - 2008. -Т. 78, № 9. - С. 62 - 68.

8. Иванов С. И. Особенности формирования начальной стадии субнаносекундного импульсного электрического пробоя газовых промежутков высокого давления / С. Н. Иванов, Е. А. Литвинов, В. Г. Шпак // Письма в журнал технической физики. - 2006. - Т. 32, № 17. - С. 23 - 32.

9. Mesyats Q. A. Laboratory Prototype of Subnanosecond X-ray Apparatus with Flexible Cable Radiator Probe Based on Explosive Emission Diode / G. A. Mesyats, V. G. Shpak, S. N. Ivanov // Изв. ВУЗов. Физика. - 2006. - Т. 49, № 11.-С. 324-327.

10. Ivanov S. N. On the Use of Radio-Frequency Cables PK50 in High-Voltage Triggering Circuits of High-Power Pulse Generators / S. N. Ivanov // Изв. ВУЗов. Физика. - 2006. - Т. 49, № 11. - С. 316 - 319.

11. Ivanov S. N. Kinetic Processes and Ionization of Medium at Initial Stage of Subnanosecond Gas Breakdown / S. N. Ivanov, E. A. Litvinov, V. G. Shpak // Изв. Вузов. Физика. - 2006. - Т. 49, №11.- С. 93 - 96.

12. Иванов С. Н. Динамика формирования импульсного электрического пробоя сильноперенапряженных газовых промежутков в субнаносекундном диапазоне/ С. Н. Иванов // ДАН. - 2004. - Т. 399, № 4. - С. 472 - 476.

13. Иванов С. Н. Генераторы высоковольтных импульсов с субнаносекундным фронтом и повышенной точностью срабатывания/ С. Н. Иванов, С. А. Шунайлов // ПТЭ. - 2000. - № 3. - С. 72 - 75.

14. Экспериментальный комплекс для исследования динамики импульсного электрического пробоя газовых промежутков в субнаносекундном диапазоне времен / С. Н. Иванов, В. Г. Шпак, С. А. Шунайлов, М. И. Яландин // ПТЭ. - 2000. - № 5. - С. 51 - 55.

15. Дядьков А. Н. Генераторы импульсов с субнаносекундным фронтом на ртутном герконе / А. Н. Дядьков, С. Н. Иванов, М. Р. Ульмаскулов // ПТЭ. -1998.-№3. С. 69-72.

16. Иванов С. Н. Источник стабилизированного высокого напряжения для изучения автоэлектронной эмиссии / С. Н. Иванов, С. Н. Шилиманов, В. Г. Шпак//ПТЭ,- 1991,-№4. С. 124- 126.

Доклады на конференциях:

1. Ivanov S. N. Runaway Electrons in High-Pressure Gases" / S. N. Ivanov // In Book of Abstracts of the XI Int. Conf. Atomic and Molecular Pulsed Lasers (Tomsk, Russia). - 2013. - H-14. - P. 122.

2. Иванов С. H. Режим непрерывного ускорения электронов в субнаносекундных газовых разрядниках высокого давления / С. Н. Иванов // Деп. в ВИНИТИ 25 декабря 2012 г. -№ 465-В2012. - С. 1 - 11.

3. Ivanov S. N. A Study of Operating Regimes of an Explosive-Emission Vacuum Diode as a Source of Pulsed X-Rays in the Subnanosecond Range / S. N. Ivanov, V. G. Shpak // Proc. of the 15th Int. Symp. on High Current Electronics (Tomsk, Russia). - 2008. - P. 356 - 359.

4. Ivanov S. N. The Effect of Pre-Ionization Inhomogeneities on the Dynamics of a Subnanosecond Pulsed Electrical Breakdown in Gas Gaps / S. N. Ivanov, V. V. Lisenkov, V. G. Shpak // Proc. 15th Int. Symp. on High Current Electronics (Tomsk, Russia). - 2008. - P. 107 - 110.

5. Ivanov S. N. Streak Investigations of the Initial Phase of a Subnanosecond Pulsed Electrical Breakdown in Gas Gaps / S. N. Ivanov, V. V. Lisenkov, V. G. Shpak // Proc. 15th Int. Symp. on High Current Electronics (Tomsk, Russia). - 2008. - P. 103-106.

6. Иванов С. H. Ионизация среды в начальной стадии субнаносекундного электрического газового пробоя / С. Н. Иванов, Е. А. Литвинов, В. Г. Шпак // Тезисы XXI Международной конференции "Уравнения состояния вещества" (п. Эльбрус, Кабардино-Балкария, Россия). - 2006. - С. 149 - 150.

7. Иванов С. Н. Ионизация среды в начальной стадии субнаносекундного электрического газового пробоя / С. Н. Иванов, Е. А. Литвинов, В. Г. Шпак // Физика экстремальных состояний вещества. - 2006. - С. 236 — 237.

8. Месяц Г. А. Лабораторный образец рентгеновского аппарата на основе макета миниатюрной взрывоэмиссионной рентгеновской трубки / Г. А. Месяц, В. Г. Шпак, С. Н. Иванов // Физика экстремальных состояний вещества. - 2005. - С. 48 - 49.

9. Иванов С. Н. Исследования пробоя перенапряженных газовых промежутков высокого давления в субнаносекундном диапазоне времен / С. Н. Иванов, Е. А. Литвинов, В. Г. Шпак // Тезисы XX Международной конференции "Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество" (п. Эльбрус, Кабардино-Балкария, Россия). - 2005. - С. 171.

10. Иванов С. Н. Электронно-оптические исследования динамики инициирования импульсного электрического пробоя сильноперенапряженных газовых промежутков в субнаносекундном диапазоне / С. Н. Иванов, В. Г. Шпак // Тезисы XX Международной конференции "Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество" (п. Эльбрус, Кабардино-Балкария, Россия). — 2005. - С. 172.

11. Месяц Г. А. Лабораторный образец рентгеновского аппарата на основе макета миниатюрной взрывоэмиссионной рентгеновской трубки / ГА. Месяц, В.Г. Шпак, С. Н. Иванов // Тезисы XX Международной конференции "Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество" (п. Эльбрус, Кабардино-Балкария, Россия). 2005, - 2005. - С. 41 - 42.

12. Ivanov S. N. Investigation of Mechanisms of Pulsed Electrical Breakdown of Highly Overvolted Gas Gaps on Subnanosecond (< 1 ns) Scale / S. N. Ivanov // Proc. of the 13lh Int. Symp. on High Current Electronics (Tomsk, Russia). - 2004. -P. 86-90.

13. Experimental setup for investigation of the dynamics of the processes initiating a subnanosecond breakdown of gas / S. N. Ivanov, V. G. Shpak, S. A. Shunailov, M. I. Yalandin // Proc. of the XIII International Conference on Gas Discharges and their Applications (Glasgow, GB). - 2000. - P. 497 - 500.

14. Low-Jitter, Subnanosecond-Risetime High-Voltage Pulse Generators for Precision Locking of the Equipment in Experiments on the Initiation of Subnanosecond Pulsed Breakdowns of Gas Gaps / S. N. Ivanov, V. G. Shpak, S. A. Shunailov, M. I. Yalandin // Proc. of the 12th Symposium on High Current Electronics (Tomsk, Russia). - 2000. - P. 250 - 254.

15. Preliminary Investigation of the Dynamics of Initiating Processes in Vacuum Breakdown in High Sub-nanosecond Electric Field / V. G. Shpak, M. I. Yalandin, S. A. Shunailov, M. R. Oulmascoulov, S. N. Ivanov, A. D. R. Phelps, K. Roland, W. He, A. W. Cross // Proc. of the Int. Workshop on High Power Microwave Generation and Pulse Shortening (Gr. Britain, Edinburgh). - 1997. — P. 115 -119.

ЛИТЕРАТУРА

1. Месяц А. Г. Пикосекундная электроника больших мощностей / А. Г. Месяц, М. И. Яландин // УФН. - 2005. - Т. 175, № 3. - С. 225 - 146.

2. Яландин М, И. Мощные малогабаритные импульсно-периодические генераторы субнаносекундного диапазона (обзор) / М. И. Яландин, В. Г. Шпак // ПТЭ. -2001. -№ 3. - С. 5 - 31.

3. Лисенков В.В. Ускорение электронов в газовом диоде атмосферного давления с горячим каналом / В.В. Лисенков, В.В. Осипов // ЖТФ. - 2007. -Т. 77, № 11. - С. 49-54.

4. Babich L. P. High-energy Phenomena in Electric Discharges in Dense Gases. Theory, Experiment and Natural Phenomena. / L. P. Babich. - ISTC Science and Technology Series. Volume 2. (Futurepast, Arlington, Virginia). - 2003.

5. Королев Ю.Д. Физика импульсного пробоя газов / Ю. Д. Королев, Г. А. Месяц. - М.: Наука, 1991. - 224 с.

6. Formation of Superpower Volume Discharges and their Applications / V. F. Tarasenko, E. Kh. Baksht, A. G. Burachenko, V. I. Lomaev, D. V. Rybka, M. A. Shulepov, D. A. Sorokin, V. Shutko // Optics and Precision Engineering. - 2011. -Vol. 19, №2.-P. 273-283.

7. Бакшт E. X. О влиянии давления гелия на амплитуду и длительность тока пучка быстрых электронов в газовом диоде / Е. X. Бакшт, М. И. Ломаев, Д.

В. Рыбка, Д. А. Сорокин, В. Ф. Тарасенко // ЖТФ. - 2008. - Т. 78, № 12. - С. 29-34.

8. Месяц Г. А. О свойствах мощных субнаносекундных пучков / Г. А. Месяц, В. Г Шпак // Письма в ЖТФ. - 1977. - Т. 3, № 14. - С. 708 - 713.

9. Райзер Ю. П. Физика газового разряда / Ю. П. Райзер. - Изд. 2-е, доп. и перераб. - М.: Наука, 1992. - 536 с.

10. Mesyats G. A. Pulsed high-current electron technology / G. A. Mesyats // in Proc. of the 2nd IEEE Int. Pulsed Power Conf. (Lubbock, USA). - 1979. - P. 9 - 16.

11. Комяк H. И. Получение мощных субнаносекундных рентгеновских импульсов / Н. И. Комяк, Г. А. Месяц, В. Г. Шпак, В. А. Цукерман // Письма в ЖТФ. - 1979. - Т. 5, № 115. - С. 901 - 904.