Содержание к диссертации
Введение
Введение 2
ГЛАВА I.. ГЕНЕРИРОВАНИЕ ПУЧКОВ ВО.БОЛЬШОГО СЕЧЕНИЯ В ЭЛЕКТРОННЫХ
ИСТОЧНИКАХ НА ОСНОВЕ ПЛАЗМЕННЫХ ЭМИТТЕРОВ 12
І.І. Источники электронов на основе эмиттеров с открытой плазменной эмиссионной поверхностью 13
1.2. Источники электронов на основе эмиттеров с закрытой эмиссионной плазменной поверхностью 29
1.3. Электрическая прочность источников, генерирующих пучки большого сечения 39
ГЛАВА П. ИССЛЕДОВАНИЕ СЕТЧАТОГО ПЛАЗМЕННОГО ЭМИТТЕРА НА ОС
НОВЕ ДУГОВОГО РАЗРЯДА С РАСШИРЕННОЙ АНОДНОЙ ЧАСТЬЮ... 48
2.1. Экспериментальная установка и методика измерений 48
2.2. Режимы горения дугового разряда низкого давления с анодной полостью большого размера 54
2.3. Исследование эмиссионных свойств сетчатого плазменного эмиттера на основе дугового конт-рагированного разряда с расширенной анодной частью 71
2.4. Исследование параметров плазмы в анодной полости сетчатого плазменного эмиттера 82
2.5. Формирование эмиттирующей плазмы и механизм эмиссии электронов из сетчатого плазменного эмиттера 90
ГЛАВА III. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ УПРАВЛЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ ПЛОТНОСТИ ТОКА ПО СЕЧЕНИЮ ПБС, ГЕНЕРИРУЕМЫХ ИСТОЧНИКАМИ С СЕТЧАТЫМИ ПЛАЗМЕННЫМИ ЭМИТТЕРАМИ 101
3.1. Методика измерения распределения плотности тока по сечению пучка 102
3.2. Управление распределением плотности тока по сечению ПБС за счет изменения топографии электрического поля в ускоряющем промежутке.. 106 3.3. Электростатический метод управления распределением плотности эмиссионного тока сетчатого
плазменного эмиттера 114
3.4. Распределение плотности тока по сечению ПБС в электронных источниках с многокамерными сетчатыми плазменными эмиттерами 119
Г.ЛАВА ІV. .ЇЇЕКТРОННЬІЕ ИСТОЧНИКИ С СЕТЧАТЬМИ ПЛАЗМЕННЫМИ ЭМИТТЕРАМИ НА ОСНОВЕ ДУГОВОГО К0НТРАГИР0ВАНН0Г0 РАЗРЯДА И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ 132
4.1. Электронный источник с СПЭ, генерирующий пучок с высокой плотностью тока 132
4.2. Высоковольтный источник электронов на основе СПЭ с одной газоразрядной камерой 139
4.3. Высоковольтные источники электронов на основе СПЭ с несколькими газоразрядными камерами 149
Заключение 160
Литература 164
- Источники электронов на основе эмиттеров с открытой плазменной эмиссионной поверхностью
- Экспериментальная установка и методика измерений
- Методика измерения распределения плотности тока по сечению пучка
- Электронный источник с СПЭ, генерирующий пучок с высокой плотностью тока
class1 ГЕНЕРИРОВАНИЕ ПУЧКОВ ВО.БОЛЬШОГО СЕЧЕНИЯ В ЭЛЕКТРОННЫХ
ИСТОЧНИКАХ НА ОСНОВЕ ПЛАЗМЕННЫХ ЭМИТТЕРОВ class1
Источники электронов на основе эмиттеров с открытой плазменной эмиссионной поверхностью
Электронные источники, основанные на использовании взрывной электронной эмиссии [із], в настоящее время находят все большее применение благодаря таким свойствам как широкий диапазон генерируемых токов и длительностей, малая инерционность, простота конструкции и эксплуатации, способность работать в условиях технического вакуума. В отличие от газоразрядных источников электронов, в источниках с ВЭ катодами основным рабочим веществом, из которого генерируется эмиттирующая плазма, является материал катода, поэтому не требуется напуск плазмообразующего газа. Интенсивную эмиссию электронов из металлического катода в плазму определяет наличие фазового перехода металл-плотная плазма. При этом генерирование плазмы во ВЭ катоде, за исключением стадии возбуждения взрывной эмиссии, целиком определяется отбором тока с открытой эмиссионной плазменной поверхности под действием ускоряющего напряжения, приложенного к диодному промежутку. Кроме того, уменьшение импеданса во времени, которое обусловлено сокращением длины ускоряющего промежутка вследствие расширения катодной и анодной плазм, ограничивает длительность импульса электронного пучка. Длительность импульса С можно существенно увеличить, если уменьшить поступление плазмы из катодной и анодной областей в ускоряющий промежуток. Так как скорость генерирования катодной плазмы пропорциональна квадрату тока, отбираемого с единицы катодной поверхности [l4], то, распределяя ток по возможно большему числу эмиссионных центров, удается уменьшить скорость генерирования катодной плазмы и тем самым замедлить движение границы ЭПП в ускоряющий промежуток [іб] .
Если создать регулярную катодную структуру, в которой эмиссионные центры возникают одновременно на значительной площади и на определенном расстоянии друг от друга, то образующаяся катодная эмиттирующая плазма будет иметь большую поверхность с достаточно равномерным распределением плотности эмиссионного тока. При этом абсолютные значения плотности тока эмиссии, а соответственно и тока пучка, удается значительно понизить. Анодная плазма поступает в ускоряющий промежуток в результате взаимодействия пучка ускоренных электронов с анодом и уменьшение плотности тока пучка также должно способствовать увеличению длительности импульса. На целесообразность использования многоострийных катодов для уменьшения скорости падения импеданса и увеличения СЫ , было указано в [іб] , где впервые при использовании ВЭ катодов удалось получить импульсы тока пучка длительностью с. площадь апертуры пучка, измеренная по его автографу на аноде, составляла 200 см . Дальнейшие исследования показали, что при использовании многоострийных ВЭ катодов возможно получение ПБС с площадью от сотен сьг до нескольких м и длительностью импульса в десятки и сотни микросекунд [16-22] .
class2 ИССЛЕДОВАНИЕ СЕТЧАТОГО ПЛАЗМЕННОГО ЭМИТТЕРА НА ОС
НОВЕ ДУГОВОГО РАЗРЯДА С РАСШИРЕННОЙ АНОДНОЙ ЧАСТЬЮ class2
Экспериментальная установка и методика измерений
Экспериментальная установка и методика измерений Схема экспериментальной установки и конструкция сетчатого плазменного эмиттера представлена на рис.2.I и на рис.2.2; Эмиттер состоит из газоразрядной камеры, включающей два холодных като-ца I размером 16x16 мм, промежуточный электрод 2 с контрагирующим каналом 3 и анода 4. Анод выполнен в виде полого цилиндра диаметром (І00 200)мм и длиной (100 200)мм. В торце цилиндра расположено эмиссионное окно, закрытое мелкоструктурной сеткой 5 с прозрачностью, равной 70%. В ячейке Пеннинга, образованной катодами и промежуточным электродом, магнитное поле создается с помощьюпо-стоянных магнитов с индукцией 5 10" Т. В промежуточном электроде имеется ферромагнитная вставка с контрагирующим каналом диаметром (1,6-6)мм и длиной (2-б)мм. При напуске рабочего газа в газоразрядную камеру канал обеспечивает перепад давлений между катодной областью дугового разряда и областями формирования плазмы (анодная полость) и ускорения электронов. При расходе газа 2,8 мПа м с и откачке вакуумной камеры источника со скоростью 500 л/с вдоль .оси электродной системы устанавливаются следующие давления: в ячейке Пеннинга - 10 Па, в анодной полости на расстоянии 10 мм от отверстия контрагирующего канала - I Па и в ускоряющем промежутке на расстоянии 10 мм от сетки - 10 Па.
Электрическое питание газоразрядной камеры осуществляется от искусственной линии 6, которая формирует импульсы отрицательной полярности длительностью (50 150)мкс и амплитудой тока до 100 А. В некоторых экспериментах между сеткой и полым анодом включался источник постоянного напряжения, регулируемого в пределах (0 200)В. Источник постоянного ускоряющего напряжения 7 подключается между полым анодом и ускоряющим электродом 8.
Измерение токов в цепях электродов плазменного эмиттера осуществлялось с помощью поясов Роговского 9, сигналы с которых поступали на запоминающие осциллографы. Для измерения напряжения горения дуги использовался активный делитель 1 % Плазма дугового разряда исследовалась зондовым и спектральным методами. Интенсивность линий, выделяемых монохроматором УМ-2 10, регистрировалась фотоэлектронным умножителем II с выходом на запоминающий осциллограф. Полный спектр излучения разрядной плазмы снимался с по мощью спктрографа ИСП-5І. Регистрация свечения плазмы в анодной полости сверхскоростной фоторегистрирующей установкой СФР 12, работавшей совместно с электроннооптическим усилителем яркости 13 в режиме покадровой развертки, позволяла получать времена экспозиции I мкс/кадр. Интегральная картина свечения плазмы в катодной и анодной областях разряда регистрировалась фотоаппаратом с открытым затвором.
Исследование параметров плазмы, заполняющей анодную полость СПЭ, проводилось с помощью специально разработанного четырехсеточ-ного энергоанализатора с задерживающим потенциалом и цилиндрического зонда Ленгмюра.
Методика измерения распределения плотности тока по сечению пучка
Эксперименты проводились на установке, схематично представленной на рис.3.I [79]. Эмиттер, конструкция которого описана ранее, закрепляется на проходном изоляторе 6 с секционированной вакуумной частью. Изолятор расчитан на напряжение до 300 кВ. Конструкция СПЭ позволяла заменять сетку 3 и отражающий электрод 5. Электронный пучок воспринимался в вакууме на коллектор 9 и зондо-вую систему индикации 8 или выводился в атмосферу через выпускное фольговое окно.
В тех случаях, когда эффект применения электронных пучков с большим поперечным сечением зависит не от суммарной дозы облучения за много импульсов, а от характеристик пучка за время каждого импульса, необходимо иметь стабильное и равномерное распределение плотности тока по сечению пучка от имульса к импульсу. Методы индикации таких пуков должны обеспечивать измерение распределения плотности тока по большой поверхности за один импульс.
В основу специально разработанной и использованной в экспериментах системы индикации [80] был положен зондовый метод регистрации тока ускоренных электронов [81,82], Используемая в экспериментах зондовая система состоит из 24 зондов равномерно расположенных по площади коллектора диаметром 350 мм. Зонды диаметром 25 мм располагаются под коллекторной пластиной, имеющей отверстия диаметром 16 мм, соосные с зондами. Таким образом, часть тока пучка, проходя через отверстия в коллекторной пластине, попадает на зонды, которые через герметичные вводы соединены кабелем со схемой регистрации, представленной на рис.3.2.
Электронный источник с СПЭ, генерирующий пучок с высокой плотностью тока
Методы обработки материалов с помощью электронных пучков, обладая целым рядом достоинств перед другими электрофизическими способами, используя в технике при выполнении различных технологических операций, число которых растет по мере реализации разнообразных эффектов, вызываемых облучением ускоренными электронами и совершенствования самих источников электронов. В частности, физико-химические процессы в поверхностных слоях твердого тела определяются плотностью энергии и длительностью облучения электронным пучком. При этом высокая плотность энергии должна сочетаться с достаточно хорошей равномерностью ее распределения на значительной площади, достигающей нескольких десятков квадратных сантиметров. Для выбора оптимальных режимов облучения различных материалов желательно иметь регулировку экспозиции облучения, плотности тока и энергии электронов пучка. При облучении поверхности образцов некоторых материалов электронный пучок не должен проникать на большую глубину, чтобы не вызывать радиационных дефектов в толще материала. Это условие, а также требования по радиационной безопасности источника электронов, накладывают ограничения на предельную энергию ускоренных электронов.
Для получения электронного пучка, удовлетворяющего вышеперечисленным требованиям, был разработан СПЭ (рис.4.1), включающий 3, идентичных рассмотренным ранее, разрядные камеры 1,11,111 с системой электродов 1,2,3,4 и общий полый анод 5. Импульсный дуговой разряд, инициированный разрядом Пеннинга, возбуждается между катодами I и электродами 3,4,5. Разряд контрагируется каналом диаметром 2 мм и длиной 2 мм в промежуточном аноде 2 и горит через соосные с каналом контрагирования отверстия диаметром 2 мм в электроде 3 и диаметром 20 мм в электроде 4 на внутренюю поверхность полого цилиндрического анода 5. Электроды 3 и 4 соединены с польм анодом 5 через низкоомные резисторы R? = Ro = 50 Ом. В торце полого анода диаметром 160 мм и длиной 180 мм имеется эмиссионное отверстие диаметром 50 мм, перекрытое плоской или вогнутой внутрь полости мелкоструктурной сеткой 6. Ускоряющий электрод 7 представляет собой диафрагму с отверстием, равным эмиссионному отверстию, и располагается на расстоянии 5 мм от сетки. За ускоряющим электродом находится подвижный коллектор 8. Рабочий газ подается в катодную область, давление в которой на 2-3 порядка превышает давление в ускоряющем промежутке и составляет (І-ІО)Па. Электрическое питание разряда осущесвляется от блока 9, формирующего прямоугольные импульсы длительностью (50-500)мкс с амплитудой до 200 А.
