Содержание к диссертации
Введение
1. Наносекуидные ускорители электронов для радиационных технологий 16
1.1 Наносекундиые ускорители электронов 16
1.2 Описание механизма работы полупроводникового прерывателя тока 21
1.3 Применение полупроводникового прерывателя тока 22
1.4 Расчет схем питания НУЭ с ППТ 25 і .5 Описание ускорителей для радиационных технологий (УРТ) 26
1.6. Вакуумный диод для двухстороннего облучения 52
1.7. Выходное окно ускорителей 62
1.8. Выводы по главе 1 64
2. МДМ-катоды для наносекундных ускорителей электронов 66
2.1. Введение 66
2.2. Исследования элемента МДМ-катода на ускорителе УРТ-0,2 68
2.3 Исследования свечения плазмы МДМ-катода 84
2.4. Выводы по главе 2 87
3. МК-катоды для наносекундных вакуумных диодов. 88
3.1. Введение 88
3.2. Описание конструкции МК-катодов 88
3.3. Постановочные исследования МК-катодов 91
3.4. Обсуждение результатов экспериментов с МК-катодом 96
3.5. Расширенные исследования свойств МК катодов 100
3.6. Анализ характеристик МК-катодов 106
3.7. Оптические исследования МК-катода 111
3.8. Исследование влияния площади МК-пластины на свойства вакуумвого диода 120
3.9. Исследования МК-катода с различными генераторами ускоряющих импульсов 127
3.10. Экранированный МК-катод 135
3.11. Выводы по главе 3 139
4. Радиационные технологии на основе ускорителей типа УРТ 140
4.1. Введение 140
4.2. Исследование возможности применения наносекундного электронного пучка для очистки воды 140
4.3. Исследование возможности применения НЭП для стерилизации продуктов 149
4.4. Исследование возможности применения НЭП для стерилизации медицинских изделий 156
4.5. Исследование возможности применения НЭП для стерилизации писем 172
4.6. Исследование радиационной устойчивости внутренней памяти программа-руемых цифровых микросхем 177
4.7. Выводы по главе 4 180
5. Радиационно-химическая стерилизация 182
5.1. Генерация озона наносекундным электронным пучком 182
5.2 Использование НЭП для радиационно-химической стерилизации 187
5.3. Применение радиациошго-химической стерилизации 190
5.4. Выводы по главе 5. 206
6. Измерение параметров, мониторинг и дозиметрия НЭП. 208
6.1. Общие положения 208
6.2. Рентгеновская диагностика НЭП 209
6.3. Измерение энергии электронов методом фильтров 214
6.4. Применение твердотельных детекторов для мониторинга НЭП 217
6.5. Выводы по главе 6 220
Заключение 221
- Описание механизма работы полупроводникового прерывателя тока
- Вакуумный диод для двухстороннего облучения
- Исследования свечения плазмы МДМ-катода
- Анализ характеристик МК-катодов
Введение к работе
В течение последнего десятилетия произошел прогресс в создании частотных генераторов высоковольтных импульсов, связанный с открытием эффекта наносекундного обрыва тока высокой плотности в полупроводниковых диодах [67, 68] (далее названный SOS-эффектом [45]) и развитием этого подхода [43—46]. Созданные на основе этого эффекта полупроводниковые прерыватели тока (ППТ) дали возможность разработать экспериментальные образцы частотных наносекундных ускорителей электронов (НУЭ) (табл. В Л), и поставить вопрос как о разработке самих ускорителей, пригодных для коммерческих применений, так и о поиске таких приложений, которые позволят использовать достоинства НУЭ.
Отметим, что автор сознает некоторую обобщенность использованного названия -ППТ, которое включает кроме SOS -диодов (именно которые используются в настоящей работе) и другие типы полупроводниковых прерывателей, например дрейфовые диоды с резким восстановлением [82].
В настоящей работе рассматриваются именно коммерческие приложения НУЭ на основе ППТ. Подобное сужение области применений оправдано тем, что, во-первых, вопросы применения НУЭ в научных исследованиях, военном деле и других специальных применениях уже рассмотрены достаточно полно [52], а, во-вторых, НУЭ с ППТ наиболее молоды из большого числа имеющихся типов импульсных ускорителей электронов.
Исходя из того, что как сами характеристики ускорителя позволяют наметить круг приложений, так и конкретное приложение существенно влияет на требуемые параметры и конструкцию ускорителя, целесообразно кратко рассмотреть особенности пучков электронов, формируемых НУЭ и возможные области коммерческих применений НУЭ, а также вытекающие из них требования к ускорителям. Конечным продуктом работы любого ускорителя электронов является пучок. Поэтому особенно важно иметь представление, как обо всех возможных достоинствах, так и недостатках формируемого пучка электронов.
В начале рассмотрим достоинства наносекундных электронных пучков (НЭП).
Таблица B.l. Параметры разработанных в ИЭФ УрО РАН генераторов и ускорителей электронов с полупроводниковым прерывателем тока
Примечание: ПТСК - установка с полностью твердотельной системой коммутации; V ~ максимальное или ускоряющее напряжение; W - энергия в илтульсе на нагрузке (е пучке электронов); Т„, - длительность импульса на пояушеоте; Б/н — без названия.
Прежде всего НЭП имеют существенно более сильное биологическое воздействие (не менее чем вдвое при равной поглощенной дозе [123]), чем электронные пучки постоянного тока. Это обусловлено существенным, в 106 раз и более, превышением мощности в течение импульса над средней мощностью. Малая длительность импульса приводит к появлению нескольких факторов, самостоятельно обладающих биологическим действием, но усиливающих воздействие друг друга при одновременном наличии (синергетический эффект): поглощенная доза, электромагнитный импульс, ударная волна и химические радикалы.
Заметим, что НЭП могут быть сформированы именно того размера, который требуется исходя из размеров объекта облучения, что исключает энергозатраты развертывание пучка по площади, как в случае пучков постоянного тока или микросекундных, и позволяет избежать многих проблем, связанных со сканированием. Прежде всего, это неравномерность облучения, связанная с распределением пучка круглого сечения по площади и неоднородность облучения по глубине, вызываемая изменения угла падения электронов на образец при развертке пучка. Отметим, что создание самой системы сканирования представляет серьезную техническую задачу.
Существенно, что катоды, служащие для формирования НЭП, не требуют дополнительных источников энергии, как в случае пучков постоянного тока (для нагрева или создания плазмы). Кроме того, они не требуют для работы высокого вакуума и легко выдерживают даже ударные разгерметизации.
Естественно, НЭП, формируемые ускорителями с системой питания с ППТ, имеют и недостатки. Самым серьезным из них является их немоноэнергетичность. Вызвано это тем, что НУЭ с системой питания с ППТ являются ускорителями прямого действия и энергия ускоряемых электронов зависит от приложенного к промежутку катод—анод импульса напряжения. Таким образом, в спектр формируемого НЭП включаются электроны, формирующиеся на фронте и спаде импульса напряжения.
Наличие этих низкоэнергетичных электронов приводит, как правило, к негативным последствиям. В силу меньшей проникающей способности, они сильнее поглощаются в выходной фольге ускорителя и поверхностных слоях облучаемого объекта, вызывая увеличение термической нагрузки на фольгу и изменяя распределение поглощенной дозы в материале мишени по глубине.
Создание источников ионизирующего излучения вызвало к жизни радиационные технологии, т.е. технологии, в которых главным действующим средством является само излучение.
Радиационные технологии (РТ) можно подразделять как по виду используемого излучения, так и по типу производимых воздействий. По последнему критерию можно выделить:
Радиационно-химические технологии, в которых под действием излучения происходит химическая реакция: деструкция, полимеризация, образование твердых веществ с ионами растворенных элементов и др.;
Радиационно-физические технологии, в которых под действием излучения происходят физические процессы (ядерные реакции, диффузия, легирование, наведение дислокаций, испарение мишеней, очистка поверхности, сварка и т.п.);
Радиационно-биологические технологии, в которых под действием излучения происходят биологические процессы (радиационная генетика);
Радиационная стерилизация и пастеризация (выделяется из-за практической важно- сти)- полное уничтожение или снижение концентрации до заданного уровня микроорганизмов в изделиях и продуктах с помощью излучения. Главное преимущество РТ состоит в воздействии на атомы вещества, что дает:
Требуемый эффект при нормальных условиях (например полимеризация без повышенной температуры и при нормальном давлении);
Существенную (в разы!) экономию энергии на проведение процесса (полная стерилизация осуществляется практически мгновенно при изотермическом нагреве изделия примерно иа4С);
Возможность проведения нескольких процессов одновременно (например стерилизации и полимеризации);
Возможность создания принципиально новых технологий (сополимеризация на поверхности полимерных пленок).
Недостатки радиационных процессов состоят в следующем.
Повышенная опасность для обслуживающего персонала.
Требуется персонал с высоким уровнем квалификации. » Дороговизна источников радиации. " Многофакторность воздействия, т.е. протекание нескольких процессов одновременно (например стерилизации и деструкции).
Очень существенную роль в настоящее время в внедрении РТ играют неподготовленность общества к широкому внедрению радиационных технологий и радиофобия. Достоинства и недостатки используемых источников радиации указаны в табл. В.2. Существенно расширить область применений радиационных технологий можно путем создания источников излучений, заметно снижающих указанные недостатки радиационных технологий.
Отметим, что из всех РТ широкое применение находит только радиационная стерилизация. Связано это с тем, что данная РТ практически незаменима во многих случаях в силу того, что конкурирующие виды стерилизации (термическая, химическая и др.) иногда принципиально невозможно использовать для некоторых материалов и изделий.
Важно, что во всем мире набирает силу тенденция использования в медицине и упаковке пищевых продуктов одноразовых изделий, большинство из которых изготавливают из нетермостойких материалов. Одновременно происходит ужесточение гигиенических нормативов. Обе эти тенденции расширяют рынок радиационной стерилизации, что позволяет оптимистично рассматривать будущее таких технологий и говорить об актуальности настоящей работы.
Коммерческое использование ускорительной техники делает наиболее важными технико-экономические качества ускорителей, а именно дешевизну; простоту изготовления, ввода в эксплуатацию и обслуживания; надежность и долговечность.
К моменту начала данной работы имелось большое количество выполненных экспериментов, которые позволяли очертить круг возможных коммерческих применений НУЭ с системой питания с ППТ.
Существенным недостатком всех ускорителей прямого действия является принципиальная сложность получения высоких энергий электронов, что ограничивает сферы ИХ применений. Важный вопрос - оптимальный диапазон энергий электронов. Возможны два подхода к данному вопросу, с точки зрения, как формирования пучка; так и приемлемости для определенных технологий.
Таблица В.2. Источники излучения для РТ:
Рассмотрим нижний предел энергий электронов. Его величина задается возможностью вывода пучка в атмосферу. Вывести пучок электронов с энергией ниже 150 кэВ практически невозможно. Вместе с тем активация облучаемого продукта, как правило, не допустима. Поэтому применение электронов с энергией более 10 МэВ возможно только в специальных областях.
Таким образом, диапазон энергий электронов для коммерческих применений лежит в пределах 0,15-10 МэВ. В настоящее время сложно надеяться на создание частотного НУЭ с системой питания с ППТ на энергию 10 МэВ в силу ряда технических трудностей. Освоенный диапазон энергий электронов составляет не более 1 МэВ, что существенно ограничивает возможные области применения.
Указанный диапазон 0,15-1 МэВ можно разделить на три группы по наиболее значимым возможным областям применения:
Радиационные технологии в газах, на поверхности и в тонких пленках -до 0,2 МэВ;
Радиационная стерилизация одноразовых изделий - до 0,5 МэВ;
Облучение жидкостей и сыпучих материалов -до 1 МэВ.
Второй важнейшей характеристикой ускорителя является мощность пучка электронов, выведенного в атмосферу. Имеется два аспекта у данного вопроса: техническая сложность формирования пучка и экономическая эффективность. Верхняя граница выходной мощности для НУЭ лежит на уровне 50-100 кВт, а вопрос экономической эффективности не так однозначен и зависит от конкретного применения.
На мой взгляд, к этому вопросу достаточно продуктивен подход, учитывающий все аспекты создаваемой технологии. Например, при рассмотрении вопроса о технологической линии радиационной стерилизации медицинских изделий величина энергии электронов должна выбираться исходя из толщины облучаемых изделий (или их упаковки) с учетом неравномерности создаваемой по глубине поглощенной дозы, а мощность ускорителя, исходя из реально требуемой производительности.
Относительно небольшая энергия электронов НУЭ требует производить облучение изделий поштучно, позиционируя их под пучком посредством конвейера. Из расчетных данных видно (табл. В.З), что при мощности ускорителя 1,5 кВт потребуется обеспечить скорость конвейера более 1,3 м/с. Это достаточно сложно технически осуществить для наиболее массовых медицинских изделий (хирургических игл, шприцов и т.п.), которые представляют собой легкие полимерные изделия в пакетах, легко смещаемые встречным потоком воздуха. Кроме того, производительность линии стерилизации достигнет явно завышенных значений, не связанных с реальными потребностями производителей медицинских изделий (например, ООО «Медин-Н» - ведущий производитель шовного хирургического материала на Урале - производит не более 100 000 пакетов в месяц). Сочетание же достоинств НУЭ при экономически обоснованной мощности позволит иметь относительно небольшую величину биологической защиты, что даст реальную возможность встраивать ускорители прямо в существующие технологические линии.
Кроме того, разумный выбор средней мощности и энергии ускорителя позволяет снизить стоимость ускорителя, а значит, снизить порог внедрения и расширить круг возможных потребителей, прежде всего за счет малых и средних предприятий.
Сказанное позволяет сформулировать задачи, которые решались в данной работе, а именно:
Создание прототипов наиосекундных ускорителей электронов для коммерческих применений на основе схемы тиратрон - импульсный трансформатор - ППТ с энергией электронов до 1 МэВ и выходной мощностью в пучке до 1 кВт.
Создание катодов для НУЭ, имеющих высокие эксплуатационные характеристики.
Разработка технических решений для реализации эффективных схем облучения, прежде всего двухстороннего.
Разработка основ конкретных радиационных технологий.
Разработка простых и эффективных систем контроля параметров НЭП.
Таблица B.j. Расчет производительности НУЭ УРТ-0,5 [23] при радиационной стерилизации
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и приложения.
В первой главе проанализированы схемы создания систем питания наносекундных ускорителей электронов для коммерческих применений и показано, что оптимальной схемой питания для НУЭ с энергией электронов до 1МэВ и средней мощностью в пучке до 1 кВт является схема на основе тиратрона с ППТ. В этой же главе описана конструкция и результаты испытаний ускорителей типа УРТ, а также вакуумного диода для двухстороннего облучения.
Во второй главе представлены результаты экспериментального исследования МДМ (метал-диэлектрик—метал) катода, показана возможность управления посредством изменения геометрии диэлектрической пластины размером пучка электронов, распределением плотности тока пучка на аноде и длительностью заднего фронта импульса.
В третьей главе описаны результаты исследований нового типа катода - металле-керамического (МК) и показано, что МК-катод имеет повышенную эмиссионную способность при относительно небольших значениях напряженности электрического поля в вакууме, позволяет получать однородное распределение тока пучка электронов на аноде и имеет большой ресурс.
В четвертой главе приведены примеры радиационных технологий, реализованных на основе ускорителей типа УРТ, а также методика разработки технологии радиационной стерилизации одноразовых медицинских изделий на наносекундных ускорителях электронов.
В пятой главе рассмотрена возможность генерации озона НЭП и показана конкурентоспособность метода, обнаружено явление и введено понятие радиационио-химической стерилизации (РХС) для герметично упакованных изделий, которое состоит в учете воздействия озона, возникающего внутри пакета под воздействием НЭП. Показано, что применение РХС позволяет уменьшить поглощенную дозу при стерилизации.
В шестой главе приведены экспериментальные результаты проверки рентгеновской диагностики параметров НЭП и применения метода фильтров для измерения энергии электронов. В заключении сформулированы основные результаты выполненных исследований, обосновывается их достоверность и апробация, отмечается личный вклад автора. В приложении приведена методика расчета схем питания НУЭ с ППТ.
Научная новизна работы заключается в том, что:
Для создания частотных наносекундных ускорителей электронов предложена и экспериментально проверена схема питания в составе; первичный источник высокого напряжения (ИВН)-тиратрон~импульсный трансформатор - ППТ. Показано, что применение тиратрона (псевдояскрового разрядника) в схеме формирования импульса высокого напряжения позволяет: увеличить рабочее напряжение и импульсную мощность в первом контуре схемы питания и за счет этого существенно упростить и удешевить конструкцию; дает возможность изменять среднюю мощность ускорителя в широких пределах посредством согласования мощности ИВН и частоты запуска тиратрона; изменения в широком диапазоне (до 40%) ускоряющего напряжения в соответствии с изменением зарядного напряжения.
Разработана и экспериментально проверена конструкция вакуумного диода, содержащего два промежутка катод-анод работающих одновременно и навстречу друг другу с равномерным распределением тока. Такой диод позволяет либо вдвое увеличить толщину облучаемых изделий, либо в 3-4 раза уменьшить неоднородность облучения по толщине облучаемого объекта.
Предложен и исследован металлокерамический катод, позволяющий в вакуумных диодах наносекундных ускорителей электронов до 2 раз повысить скорость нарастания тока и мощность ускорителя, понизить до 5% неоднородность распределения плотности тока на аноде и при ресурсе не менее 10s импульсов сохранить в пределах 10% стабильность параметров получаемого пучка электронов.
Исследовано влияние геометрии катодного узла на размер формируемого пучка электронов и длительность тока и напряжения вакуумных диодов с металлодиэлектрическим (МДМ) - катодом. Найдено, что расположение диэлектрической пластины в катодном узле определяет сечение пучка электронов и позволяет им управлять, что обеспечивает возможность создания равномерной плотности тока на мишени для катодов большой площади. Установлена возможность использования МДМ-катода для укорочения длительности заднего фронта импульса.
Экспериментально показана существенно более высокая (на порядок) производительность генерации озона НЭП по сравнению с электронными пучками постоянного тока за счет выноса генерируемого озона в паузе между импульсами из зоны облучения.
Разработан способ радиационно-химической стерилизации (РХС), который состоит в создании условий, позволяющих использовать для стерилизации герметично упакованных изделий излучения, как самого электронного пучка, так и озона, возникающего внутри пакета при облучении.
7. Разработана дозиметрическая методика измерения эффективной энергии электронов на основе метода фильтров в геометрии узкого пучка, позволяющая независимо измерять энергию электронов в абсолютных значениях.
Научно-практическая значимость работы заключается в том, что:
Разработан ряд частотных наносекундных ускорителей электронов типа УРТ для радиационных технологий с энергией электронов до 1 МэВ и средней мощностью НЭП до 1 кВт со схемой питания; тиратрон - импульсный трансформатор - ЇШТ.
Разработан МК-катод, позволяющий в вакуумных диодах наносекундных ускорителей электронов до 2 раз повысить скорость нарастания тока и мощность, понизить до 5% неоднородность распределения плотности тока на аноде и при ресурсе не менее 108 импульсов сохранить в пределах 10% стабильность параметров получаемого пучка электронов..
Разработан способ генерации озона НЭП, показана его конкурентоспособность по энергозатратам с традиционными способами.
Разработаны способ и технология стерилизации жидких.пищевых продуктов в бески^ слородной атмосфере.
Разработан способ и технологии радиационно-химической стерилизации различных упакованных изделий.
Разработан способ и технологии радиационно-химической поверхностной стерилизации сыпучих материалов.
Разработан способ и на его основе технология радиационного стирания полупроводниковых микросхем памяти.
Разработана и экспериментально проверена дозиметрическая методика периодического контроля параметров пучка электронов на основе метода фильтров.
Положения, выносимые на защиту:
Применение тиратрона (псевдоискрового разрядника) в схеме питания частотных наносекундных ускорителей*, электронов с полупроводниковым прерывателем тока позволяет увеличить рабочее напряжение и импульсную мощность в первом контуре схемы питания и за счет этого упростить и удешевить конструкцию.
Ряд частотных наносекундных ускорителей электронов типа УРТ с энергией электронов до 1 МэВ и средней мощностью в пучке до 1 кВт для использования в радиационных технологиях.
Металлокерамический катод, позволяющий до 2 раз повысить скорость нарастания тока и мощность ускорителя, понизить до 5% неоднородность распределения плотности тока на аноде и при ресурсе не менее 108 импульсов сохранить в пределах 10% стабильность параметров получаемого пучка электронов.
Вакуумный диод, содержащий два промежутка катод-анод работающих одновременно и навстречу друг другу с равномерным распределением тока, позволяющий либо вдвое увеличить толщину облучаемых изделий, либо в 3-4 раза уменьшить неоднородность облучения по толщине облучаемого объекта.
Способ генерации озона позволяющий, за счет вывода озона из зоны пучка в паузе между импульсами, обеспечить высокую производительность и конкурентоспособные с другими методами генерации озона энергозатраты, в пределах 10-12 кВтч/кг озона, без предварительной подготовки воздуха,
Способ и технология радиационно-химической стерилизации поверхностей упакованных изделий, которые за счет создаваемого в пакетах озона, позволяют существенно (до 2 раз) снизить поглощенную дозу для обеспечения поверхностной стерилизации изделий и сократить затраты энергии на стерилизацию.
Дозиметрическая методика на основе метода фильтров для измерения параметров НЭП, позволяющая периодически контролировать параметры ускорителя в течение технологического процесса.
Описание механизма работы полупроводникового прерывателя тока
Исследование свойств и параметров ППТ не было предметом данной диссертации, однако для понимания особенностей построения схем питания НУЭ с ППТ необходимо рассмотреть особенности его работы. Принцип работы ППТ [46, 98] основан на создании электронно-дырочной плазмы во время прямой накачки, когда p-n-переход включен в прямом направлении и под действием возникающего электрического поля дырки из р-области дрейфуют в базу диода, а электроны из п-области перемещаются в обратном направлении и постепенно заполняют р-область структуры. При прямой накачке основной вклад в общее сопротивление прерывателя вносит базовая область р+-р-п-п+--структуры, поскольку концентрация носителей в ней минимальна. На начальной стадии накачки нарастание плотности тока через диод происходит быстрее, чем падение сопротивления базы, что приводит к появлению положительного всплеска напряжения на ППТ, а в базе возникает область сильного электрического поля. Затем сопротивление р+-р—п-п+-структуры становится меньше волнового сопротивления контура, вплоть до момента обрыва тока, и сопротивление через него определяется внешним контуром. К моменту завершения накачки подавляющая часть накопленного заряда сосредоточена в высоколегированных областях структуры: электроны в р-области, дырки в п+-области. Минимум концентрации плазмы расположен в базе и имеет величину порядка 10 см" . После прохождения тока через ноль, во время обратного направления тока, плазма изменяет направление своего движения и начинает возвращаться к плоскости р-n-перехода. На этой стадии концентрация неравновесных носителей соответствует высокому уровню инжекции и основная плазма движется медленнее, чем ее фронт. В результате происходит обострение фронтов профиля плазмы сначала в р-области, а затем и п-области структуры. После образования резких фронтов в пространственном распределении плазмы области р+-р-п-п+-структуры, расположенные за фронтами, оказываются практически полностью свободными от инжектированных носителей заряда. В этих областях перенос тока осуществляется только основными носителями, концентрация которых минимальна на внешней стороне фронтов плазмы.
При приближении фронтов к точкам, где плотность тока, текущего через структуру, станет равна плотности тока насыщения основных носителей, абсолютная величина поля на фронтах плазмы резко увеличивается, скорость дрейфа носителей дриближается к скорости насыщения, а их подвижность падает. Уменьшение подвижности носителей означает, что в области фронтов образуются участки структуры с высоким эффективным сопротивлением. Это приводит к снижению тока через прерыватель. Амплитуда напряженности поля за фронтом плазмы ограничивается процессами генерации электронно-дырочных пар в результате ударной ионизации. При этом дополнительные носители обеспечивают прохождение тока через область с низкой концентрацией плазмы. В результате в полупроводниковой структуре возникает характерная область сильного поля с четко выраженными границами. Внешняя граница области, занятой полем, соответствует точке, где выполняется условие насыщения тока, и практически неподвижна, а внутренняя совпадает с положением фронта плазмы. Поскольку фронт плазмы продолжает перемещается в сторону базы, размер области, в которой существует сильное поле, увеличивается, отрицательное поле на структуре растет, а на прерывателе формируется фронт импульса напряжения. Из анализа работы прерывателя вытекают следующие выводы [46]: 1) удаление всей избыточной плазмы из структуры - не обязательное условие обрыва тока, т.е. нет принципа равенства заряда, внесенного в структуру во время прямой накачки и удаленного из неё при обратной накачке; 2) обрыв тока определяется процессами в узких высоколегированных слоях р+-р-п-п+-структуры, свободных от избыточной плазмы, это и приводит к сочетанию высокой плотности обрываемого тока и наносекундному времени его отключения. Кроме того, обнаружено, что существует автоматическое равномерное распределение напряжения по последовательно соединенным структурам, что позволяет осуществлять последовательно-параллельное соединение диодов без использования внешних систем распределения напряжения. Из описания механизма работы ППТ следует необходимость прямой и обратной накачки прерывателя током, при этом требования к этим режимам существенно различаются, что создает необходимость выбора схем накачки ППТ. К настоящему времени экспериментально опробованы несколько схем накачки ППТ: 1) одноконтурная схема [67, 68], при этом в качестве источника энергии использовался генератор Маркса или Фитча; 2) двухконтурная схема [46], при этом в качестве источника энергии прямой накачки использовался конденсатор с разрядником, а для обратной накачки - генератор Маркса, подключаемый через некоторое время задержки; 3) двухконтурная схема с режимом усиления обратного тока [44]. В качестве источника энергии прямой накачки и для зарядки конденсатора обратной накачки использовался магнитный компрессор энергии, а обратная накачка производилась разрядом конденсатора обратной иакачки после срабатывания магнитного ключа обратной накачки; 4) двухконтурная схема с режимом усиления обратного тока [69, 100] с насыщаемым импульсным трансформатором вместо магнитного ключа обратной накачки. Отметим, что одноконтурная схема имеет много недостатков и использовалась только в первых экспериментах с ППТ. Двухконтурная схема позволяет снизить импульсную мощность генератора прямой накачки за счет снижения амплитуды тока и увеличения его длительности [46], при этом уменьшаются потери в структуре прерывателя при накачке. Двухконтурная схема с режимом усиления обратного тока с насыщаемым импульсным трансформатором наиболее целесообразна для построения систем питания НУЭ, так как позволяет все предварительные ступени сжатия импульса до параметров, необходимых при накачках ППТ, выполнять при пониженном напряжении.
Вопрос о выборе пути предварительного сжатия импульса нетривиален. В настоящее время он решается двумя путями (Рис.1.2): 1) с использованием схем предварительной магнитной компрессии энергии; 2) по схеме тиратрон-импульсный трансформатор-ППТ. Главное достоинство первого решения состоит в том, что схема формирования высоковольтного импульса полностью твердотельная, имеет высокую частоту работы и большой ресурс. Данное решение в настоящее время практически единственно возможное, при создании генераторов с ППТ с импульсной мощностью до 109 Вт и средней мощностью в десятки кВт [53]. Однако при выходном напряжении 0,5-1 MB, данная схема имеет относительно низкий кпд, при этом основные потери энергии возникают в схеме предварительной магнитной компрессии энергии (кпд 50%). Это привело авторов работы [53] к выводу о необходимости уменьшения количества звеньев сжатия энергии за счет использования реверсивно включаемых динисторов [81]. Схема тиратрон-импульсный трансформатор широко используется для предварительного сжатия энергии при формировании наносекундных импульсов [83]. К достоинству схемы можно отнести ее относительную простоту и меньшие габариты (в 1,5-2 раза по сравнению с магнито-тиристорными генераторами [S3]). Она не содержит взаимосвязанных контуров магнитного сжатия энергии, что существенно упрощает настройку и ремонт, делает ее пригодной для серийного производства. Кроме того, имеется возможность практически линейного регулирования ускоряющего напряжения за счет изменения зарядного напряжения. Главный недостаток схемы состоит в том, что она содержит тиратрон (псевдо-искровой разрядник-тиратрон с холодным катодом), который имеет существенно более низкий ресурс (500-1000 ч), чем остальные элементы схемы. Однако это относительно недорогой прибор, выпускаемый промышленностью в больших количествах, и его применение в ряде случаев может быть оправданно. Например в схемах питания ускорителей, которые всегда содержат другое электровакуумное устройство - вакуумный диод. В НУЭ применяются либо отпаянные вакуумные трубки, либо откачиваемые вакуумные диоды.
Вакуумный диод для двухстороннего облучения
При использовании ускорителя заряженных частиц наиболее выгодно выполнять облучение изделий с двух сторон, что позволяет снизить неоднородность облучения и увеличить толщину облучаемого изделия [64] при более однородном распределении поглощенной дозы по толщине. Как правило, при использовании ускорителей заряженных частиц , в том числе и электронов, двухстороннее облучение объектов достигается либо посредством использования двух ускорителей, либо специальной системы развертки пучка [65]. Однако подобные решения требуют использования двух ускорителей, что дорого, либо неприменимы к наносекундным пучкам из-за сложности создания системы их развертки. Известно также решение, заключающееся в использовании одного генератора импульсного высокого напряжения и двух отпаянных наносекундных трубок [66], размещаемых с разных сторон. Но данная конструкция применима только для импульсов с параметрами (амплитуда, длительность, частота повторения), сформированных под существующие типы трубок; приводит к существенной паразитной емкости высоковольтного разветвителя за счет использования жидкой изоляции высоковольтного электрода, что снижает амплитуду ускоряющего напряжения; не позволяет получать пучки большой площади; не позволяет задать алгоритм облучения по каждой из сторон. Поэтому была поставлена задача создания вакуумного диода для двухстороннего облучения объектов, причем с возможностью задания алгоритма облучения по каждой из сторон. 1.6.2. Описание установки и методики экспериментов Найденное решение задачи состояло в использовании вакуумного диода с двумя промежутками катод-анод. Техническая реализация этого решения состояло в следующем: к общему катододержателю подсоединялось два дополнительных плеча, позволяющих разместить на концах напротив друг друга два катода, а корпус вакуумного диода содержал два окиа-анода друг напротив друга для вывода пучков электронов в воздух для облучения объектов (рис. 1.23), размещенных мелгду катодами. Работа вакуумного диода для двухстороннего облучения экспериментально проверена на ускорителе УРТ-0,5 [23]. К выходному фланцу, вакуумного диода ускорителя УРТ-0,5, вместо анодного фланца, была присоединена специальная насадка (см. рис. 1.23). Окна-аноды для вывода пучка имели диаметр 100 мм. Каждое окно имеет алюминиевую решетку с прозрачностью 85 %, состоящую из прорезей и ребер шириной 10 и 2 мм, соответственно. На решетку укладывается выходная алюминиевая фольга толщиной 15 мкм в два слоя.
В решетке имеется канал для водяного охлаждения. Левое и правое плечи — держатели катодов, выполнены из дюралюминиевых прутков диаметром 40 мм. Их конструкция позволяет независимо изменять оба расстояния катод-анод (dl, d2). Крепление плеч к общему катододержателю выполнено так, чтобы имелась возможность осуществлять центровку катодов в выводных окнах независимо в каждом диоде. В экспериментах применялись металлодиэлектрические катоды, по конструкции аналогичные использованному в [23], но большего диаметра (40 мм, см. Главу 2). Вакуумный диод ускорителя работает при давлении около 10 3 торр, которое создается ротационным вакуумным агрегатом АВР-50. В экспериментах использовались штатные электрические датчики ускорителя УРТ-0,5М, позволяющие измерять напряжение на вакуумном диоде и ток в общем катод од ержателе. Для исследования срабатывания или несрабатывания левого и правого катодов в течении одного импульса ускоряющего напряжения использовалась оптическая схема (рис. 1.24), состоящая из люминофоров 8, непрозрачного экрана 9 и телекамеры 10. Сигнал с телекамеры VBC-701 вводился в персональный компьютер и обрабатывался программой OSC-16. Суть люминесцентно-телевизионной методики сводится к тому, что если пучки электронов генерируются обоими катодами одновременно, то свечение от обоих люминофоров попадает в один кадр телесигнала, если ускоритель работает на частоте, существенно меньшей, чем телекамера (50 Гц). При несрабатывании одного из диодов, соответствующая часть кадра будет пустой. Для измерения количественных различий излучения при работе левого и правого катодов использовался дозиметрический метод. Измерения поглощенной дозы электронного пучка на выходе обоих выходных окон проводились с помощью дозиметрических пленок типа 1ДДП -2-Ф2 [59], которые устанавливались вплотную к выходной фольге. Размер пленки позволял получить полный отпечаток лучка. Измерение проводилось по 10 импульсам, подаваемым с частотой t=l Гц. Кроме того, детекторы размещались за слоями алюминиевой фольги различной толщины, что позволяло измерять распределение поглощенной дозы в материале. Вакуумный диод для двухстороннего облучения работает следующим образом. Формируется импульс высокого напряжения и одновременно прикладывается (см. рисЛ.23) через катододержатель 1 и плечи 5,6 к катодам 2. На поверхности МДМ-катода появляется электрическое поле. Эмитирующая плазма возникает вследствие разряда в тройных точках метал-диэлектрик—вакуум. Плазма обеспечивает необходимую эмиссию электронов, которые ускоряются приложенным электрическим полем и через выходные окна 3 выводятся в атмосферу для облучения образца 7. На первом этапе были выбраны равные расстояния катод-анод dl-d2=90MM. Характерные осциллограммы тока пучка и напряжения на вакуумном диоде для двухстороннего диода были подобны осциллограммам, полученным на ускорителе УРТ-0,5 с одним диодом (рис. 1.25) при равных зарядных напряжениях.
Свечение люминофоров от электронных пучков было без пропусков и близким по интенсивности (рис. 1.266). Для проверки люминесцентно-телевизионной методики выполнены измерения без левого катода (рис. 1.26в), которые показали возможность четкой регистрации отсутствия свечения одного из люминофоров (рис. 1.2бв). Результаты дозиметрии (табл. 1.8) показывают, что в пределах погрешности измерений (15%) оба катода работают одинаково (см. табл. 1.8, №1 и 4). Исследовано влияние на работу вакуумного диода расстояний dl и d2, которые уменьшались как одновременно, так и независимо друг от друга. Установлено, что уменьшение расстояния в одном из диодов не приводит к перераспределению тока между диодами, а одновременность срабатывания диодов не нарушается. При этом видно, что значения поглощенных доз на анодах (см. табл. 1.8) возрастают тем сильнее, чем меньше d2. Однако это вызвано геометрическим фактором, связанным с уменьшением диаметра пучка, которое приводит к увеличению плотности тока на. аноде, которой прямо пропорциональна поглощенная доза. При равных расстояниях катод-анод отпечатки пучков практически одинаковы (рис.1.27). Измерения распределения поглощенной дозы в алюминии показали незначительное (-10%) снижение проникающей способности электронов при dl=d2 =90 мм по сравнению с данными для ускорителя УРТ-0,5 с одним диодом (рис. 1.28). Это снижение связано с тем, что два диода включены параллельно и общий импеданс вакуумного диода ускорителя уменьшился, что привело к снижению ускоряющего напряжения. При уменьшении ..расстояния катод-анод до 30 мм одновременно в обоих диодах происходит снижение проникающей способности электронов за счет снижения импеданса и, соответственно, ускоряющего напряжения (см. рис. 1.28), практически так же, как и в случае с одним диодом. Созданный вакуумный диод успешно работает и позволяет осуществлять облучение объектов с двух сторон, при этом достигается существенное снижение неоднородности облучения образца по глубине (рис. 1.29). Результаты экспериментов показали наличие большого запаса по вакуумной изоляции диода для двухстороннего облучения, поэтому выполнена успешная экспериментальная проверка возможности работы этого диода на ускорителе УРТ-1 (рис.1.30). Полученные результаты на ускорителе УРТ-1 подтвердили возможность успешной работы вакуумного диода для двухстороннего облучения, использование которого приводит к некоторому снижению ускоряющего напряжения (за счет уменьшения общего импеданса вакуумного диода, рис. 1.31.) при существенном улучшении распределения поглощенной дозы в материале (рис. 1.32). На конструкцию вакуумного диода для двухстороннего облучения получен патент РФ [40].
Исследования свечения плазмы МДМ-катода
Эксперименты проводились на ускорителе УРТ-0.5, ток пучка измерялся электрическим способом. Свечение плазмы измерялось с помощью фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) 18ЭЛУфс через прозрачное (из оргстекла марки СОЛ) окно в вакуумной камере, находящееся напротив катода, и сигнал с pin-диода {рис. 2.14). Выдвижение диэлектрической пластины из катододержателя, при фиксированном расстоянии катод-анод также приводит к увеличению тока и уменьшению напряжения на вакуумном диоде, при этом отпечаток пучка на дозиметрической пленке становится эллипсом, а дальнейшее увеличение В приводит не только к уменьшению напряжения, но и срезанию заднего фронта импульса (рис. 2.15). Установлено, что существенное свечение плазмы (регистрируемое ФЭУ) появляется не на фронте, а на спаде тока, в момент начала пробоя вакуумного промежутка катод-анод. Существенно, что до момента появления свечения плазмы регистрируется тормозное излучение, что однозначно подтверждает наличие тока анода (см. рис. 2.14). Это говорит о том, что эмиссия электронов на катоде идет из относительно холодной и разреженной плазмы. Отметим, что описанная картина хорошо повторяется, вплоть до исследованной частоты работы ускорителя 200 Гц. Вакуумный диод ускорителя УРТ-0,5 позволил исследовать работу МДМ-катода при большем диапазоне расстояний промежутка катод-анод А и установить его влияние на импеданс вакуумного и размер пучка (рис.2.16). При этом установлено, что уменьшение расстояния А приводит к росту пиковой мощности Рмах и уменьшению диаметра электронного пучка Д (рис.2.17), что вызывает резкое увеличение плотности тока j (до 20 раз), т.е. термической нагрузки на выходную фольгу, что вместе с наличием локальных неоднородностей (см. рис. 2.5) должно ограничивать предельную частоту работы ускорителя. Таким образом, полученные данные позволяют выбирать геометрию катодного узла и вакуумного промежутка, а также режим работы ускорителя исходя из выбранного приложения. Установлено, что МДМ-катод, в котором для создания тройных точек используется бронзовая гребенка, может устойчиво работать при относительно низком вакууме 10"2-10"3 Торр, при уровне напряжений до 500 кВ и частоте до 250 Гц. Небольшое, относительно расстояния катод-анод, выдвижение диэлектрической пластины в промежуток катод-анод приводит к более устойчивому образованию плазмы на катоде при низком вакууме.
Найдено, что выдвижение диэлектрической пластины в промежуток катод-анод приводит к формированию пучка электронов с сечением в виде эллипса, что позволяет получать более равномерную плотность тока на мишени для катодов большой площади или формировать сложный профиль распределения пучка электронов на аноде при необходимости. Экспериментально показана возможность настройки катода, содержащего несколько излучающих элементов в целях получения однородной плотности тока ( 10%) при большом сечении пучка. Установлено наличие локальных неоднородностей распределения тока на аноде, связанных с усиленной эмиссией из плотной плазмы в каналах разряда с зубьев гребенки («образы каналов» на отпечатках). Неоднородности плотности тока на аноде сглаживаются при увеличении расстояния катод-анод. Установлена возможность использования МДМ-катода для изменения длительности наносекундного электронного пучка, которое происходит за счет укорочения длительности заднего фронта импульса, связанного с пробоем вакуумного диода. Особенность механизма пробоя состоит в том, что происходит ускорение плазмы при ее движении вдоль поверхности диэлектрика на катоде, вызывающее сокращение длительности стадии пробоя (длительности заднего фронта). МДМ-катоды, эксперименты с которыми рассмотрении в главе 2, к началу выполнения данной работы в наибольшей степени отвечали требованиям, предъявляемым к катодам для наносекундных ускорителей электронов (НУЭ). Однако МДМ-катоды имеют существенные недостатки: ограниченность числа точек эмиссии, что приводит к эрозии поджигающих электродов и диэлектрика под ними; неоднородности распределения тока на выходной фольге вакуумного диода (наличие образов разрядных каналов), особенно при малых расстояниях катод-анод; некоторую сложность конструкции, вызванную необходимостью создания нескольких тройных точек; достаточно высокий импеданс вакуумного диода при небольших размерах катодного узла. Перечисленные недостатки стимулируют разработки других типов катодов для НУЭ. Мы предложили ликвидировать основной недостаток МДМ-катода путем увеличения числа тройных точек за счет использования на катоде композиционного материала, изготавливаемого из смеси нанопорошка диэлектрической матрицы и металлического порошка микронных размеров. Предполагалось, что применение нанопорош-ков позволит синтезировать материал при температуре ниже температуры плавления металлических частиц. В этом случае, при охлаждении, за счет разницы температурных коэффициентов линейного расширения, вокруг каждой частицы должны образоваться микрополости, что и обеспечит наличие тройных точек, плотность которых можно менять в широких пределах. Такие металлокерамические (МК) катоды были сделаны [22].
Результаты исследований эмиссионных характеристик, конструкции и анализ полученных результатов для МК-катодов представлены в данной главе. 3.2 Описание конструкции МК-катодов В первых экспериментах использовалась конструкция МК-катода, представляющая собой металлокерамическую пластину 2 диаметром 12 мм и толщиной 2 мм (кромка пластины шлифовалась) обрезанную до высоты h = 10 мм {рис.3.1), приклеенную ребром к катододержатешо 1 клеем "Суперклей" (или циокрин). Для улучшения контакта в клей добавлялся медный порошок. Позднее конструкция МК-катода была усовершенствована (рис.3.2, 3.8). МК-пластина вставлялась в специальный пружинный зажим (цангу) на катододержателе, для улучшения контакта край пластины оборачивался фольгой из индия. МК-пластины были изготовлены по специально разработанной технологии в лаборатории импульсных процессов Института электрофизики УрО РАН. Сферические частицы диаметром 26 мкм (в первых экспериментах, затем и другого размера, рис.3.3) из стали 12Х18Н10Т были достаточно равномерно распределены (рис.3.4) в диэлектрической основе из нанопорошков АЬОз с удельной поверхностью 80 г/м2. Все порошки получены методом электрического взрыва проводников [113], Порошки с заданным массовым соотношением перемешивались в изопропиловом спирте ультразвуком, с одновременным выпариванием до сметанообразиого состояния. После этого смеси сушились и перемалывались в дисковой мельнице. Полученная смесь компактировалась электродинамическим способом и спекалась в лаборатории прикладной электродинамики ИЭФ УрО РАН. Использование нанопорошков диэлектрической основы позволило получить равномерное обволакивание металлических частиц частицами основы (рис.3.5), существенно снизить температуру спекания и избежать плавления металлических частиц. В результате были получены пластинки наноструктурной керамики с достаточно равномерно распределенными в её объеме и на поверхности металлическими частицами (рис. 3.6), вокруг каждой металлической частицы на поверхности образуется крупнозернистая структура с порами и трещинами (рис. 3.7). 3.3. Постановочные исследования МК-катодов Для проведения экспериментов использовался частотный наносекундный ускоритель электронов УРТ-0,5 [23] (см. главу 1). В экспериментах измерялось: ускоряющее напряжение на вакуумном диоде, Uy, с помощью омического делителя напряжения, полный ток в вакуумном диоде, Ід, и ток, попадающий на анод вакуумного диода Ід, трансформатором тока, мощность поглощенной дозы тормозного излучения - pin-диодом СКД1-02.
Анализ характеристик МК-катодов
Анализ экспериментальных данных показал (табл. 3.3), что время задержки t3 прямо пропорционально величине средней напряженности электрического поля Ej0 по поверхности МК-пластины между металлическими частицам и в момент начала тока в диоде, что маловероятно и позволило нам выдвинуть гипотезу [24] о том, что главные события развиваются не на поверхности МК-пластины, а в ее микропорах. Так, если металлические частицы имеют равный диаметр D, то t3 обратно пропорциональна (см. табл. 3.3) средней напряженности поля Емп в микропоре шириной 8 : где п - плотность частиц на см , что не противоречит имеющимся представлениям. Если в качестве параметра взять безразмерное напряжение: возникающее при зарядке одной частицы токами смещения при Uj0 (с учетом ее емкости и размера D), и построить зависимость средней напряженности поля в микропоре Емп от этого параметра, обнаружим (рис. 3.17Б) что при уменьшении d зависимость переходит от практически линейной к логарифмической, что можно объяснить эффектом полного напряжения. По своей сути, параметр U0 является обобщенной характеристикой эмиссионных свойств МК-пластины. Использование этого параметра позволяет объяснить близкие значения t, катодов с существенно разными характеристиками. Так, для катодов № II-1 и №1890 значение Uo составляет 2,08 и 2,1, соответственно. Как видно (см. табл. 3.3) эти катоды имеют близкие значения t3. Таким образом, можно прогнозировать свойства МК-катодов исходя из состава МК-пластин, используя полученные данные и параметр U0 (рис. 3.18). Из полученного эмпирического соотношения: Ui0 = 289.72 Uo"0 2841, можно оценить, что при увеличении диаметра частиц в МК-пластине №11-1 до D=50 мкм, t3составит около 28нс, aUj0-OKono280KB. Важным параметром, определяющим свойства катода, является импеданс диода. Состав МК-пластин существенно влияет на импеданс вакуумного диода (в момент максимума напряжения, рис. 3.19). Желательно иметь возможность оценивать значение импеданса в момент максимума напряжения Rmax, так как именно тогда формируется пучок максимальной энергии.
Из экспериментальных данных видно (см. табл. 3.3), что имеется обратная зависимость Rmax от параметра Uo, однако наиболее очевидна зависимость RmaxOT 1/Е„„ (рис. 3.18Б ), которая аппроксимируется выражением Используя эту зависимость можно оценить, что при увеличении диаметра частиц в МК-пластине №11-1 до D=50 мкм величина Емп составит около 590 кВ/см, а Ктахоколо 1300 Ом, т.е. эмиссионные свойства МК-катода снизятся. Сказанное подтверждает, что распределение электрического поля до начала тока чисто емкостное, причем существены как материал керамики, так и количество и размер металлических частиц, что в свою очередь означает, что в процессе участвует большинство частиц МК-пластины. Форма разрядной плазмы на МК-пластине регистрировалась фотоаппаратом "Зенит-Е" с открытым затвором на фотопленке РФ-3 через прозрачное (из оргстекла марки СОЛ) окно в вакуумной камере, находящееся напротив МК-пластины. Свечение плазмы измерялось с помощью фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) 18ЭЛУфс, включенного по паспортной схеме с двумя источниками питания, через это же окошко. Движение плазмы по МК-пластине регистрировалась электронно-оптическим преобразователем (ЭОП) СФ-Зм "Агат", при этом щель ЭОП (0,5 мм) юстировалась вдоль одной из поверхностей МК-пластины ([20], см. рис. 3.20) . Кроме того, были выполнены измерения спектра свечения плазмы, при этом между ФЭУ и окном вакуумной камеры устанавливался монохроматор СД-1. Регистрировался максимум сигнала на выбранной длине волны, за результат бралось усредненное по 128 импульсам значение. Обработка полученных осциллограмм тока пучка электронов I, напряжения U и сигнала L с 18-ЭЛУ (рис. 3.22, 3.24) позволила установить, что свечение плазмы регистрируется на спаде тока в момент пробоя вакуумного промежутка катод—анод. Обработка полученных ЭОПограмм также показала, что свечение плазмы на поверхности МК-пластины появляется на заднем фронте тока (рис, 3.21, кривая S). Сигнал на кривой S на отметке 50 не является технологической меткой. На ЭОПограмме виден уход плазмы из щели ЭОП, т.е. отрыв плазмы от поверхности МК-пластины со скоростью более 2.5 10 см/с (см. рис. 3.21, кривая S на отметке 150 не). На этот провал сигнала на ЭОПограмме L1 (см. рис. 3.21) приходится максимум сигнала L с ФЭУ ( рис. 3.22А). Сильное свечение плазмы наблюдается на хвосте тока и напряжения, которое молено связать со свечением плазмы завершающей стадии вакуумного пробоя. Важной особенностью является то, что свечение плазмы регистрируется ФЭУ на спаде тока, в момент начала пробоя вакуумного промежутка катод-анод. Существенно, что до момента регистрации свечения плазмы регистрируется тормозное излучение, что однозначно подтверждает наличие тока анода (рис. 3.24). При организации среза тока вакуумной дуги за счет пробоя вакуумного изолятора (путем закорачивания секций изолятора, см. рис. 3.16) сигнал с ФЭУ отсутствует до момента максимума тока и появляется лишь в момент пробоя изолятора (рис. 3.22Б) за счет отраженного света от стенок камеры. На интегральных фотографиях МК-катода всегда регистрируется след разряда по МК-пластине, причем форма разряда (рис. 3.25) зависит от диэлектрической основы.
На поверхности МК-катода из продуктов разложения вакуумного масла формируется образ разрядов, который хорошо виден (рис. 3.23). Однако при измерении свечения МК-пластины для укороченного импульса (см. рис. 3.22Б) приходится использовать наложение 30 импульсов в одном кадре, причем регистрируется как распределенное поверхностное свечение МК-пластины, так и слабые следы разряда в некоторых точках ее контакта с катод о держателем. Отсутствие свечения поверхности МК-пластины до максимума тока, несмотря на значительную величину амплитуды и скорости нарастания отбираемого тока, позволяет заключить, что особенностью плазмы, возникающей на поверхности МК-пластины, является большая эмиссионная поверхность при низкой плотности, свечение которой не удается зарегистрировать ФЭУ. Полученные результаты молено объяснить тем, что за счет различия в температурных коэффициентах линейного расширения при остывании спеченной металлокерамики между металлическими частицами и керамикой возникают микропоры с характерным размером 0,7 мкм, заполненные газом, который и служит для образования плазмы при достижении на поверхности металлических частиц необходимой напряженности электрического поля. Так как плотность частиц, выступающих на поверхность керамики, достаточно высока, то плотность плазмы может быть относительно низкой в целях обеспечения необходимой эмиссии электронов для выбранных параметров ускорителя. Наблюдаемое же всеми оптическими способами свечение плазмы связано с окончательной стадией вакуумного пробоя. Измерения показали, что спектр свечения МК-катода имеет несколько максимумов. В целом спектры подобны, имеют несколько одинаковых линий предположительно меди, железа и титана (табл. 3.4, рис, 3.26). Особенность спектра№1885 в том, что он имеет несколько широких пиков, которые трудно идентифицировать из-за их ширины (-20 нм). Для МК-пластины №1892 можно предположить, что генерация плазмы происходит в процессе разряда, как из частиц нержавеющей стали, так и из материала основы керамики, причем предположительно видны следы сильно ионизированных ИОНОЕ. Визуально это подтверждается внедрением канала разряда в МК-пластину. Однако, к сожалению, оказалось невозможно выполнить времязависимьте измерения спектров, чтобы определить моменты появления ионов, что существенно для определения процесса, ответственного за эрозию МК пластины.
