Введение к работе
Актуальность темы. Развитие научно-технического прогресса во многом определяется успехами в создании эффективных способов транспортировки энергии к объектам воздействия, среди которых особое место занимает использование потоков заряженных частиц. В настоящее время, благодаря открытию взрывной эмиссии, удается транспортировать до 10 Дж за импульс, что невозможно никакими другими способами. Потребности таких бурно развивающихся областей, как вакуумная и плазменная СВЧ электроника,электронно-лучевая технология, включающая различные виды модификации поверхности, плазмохимия, генерирование мощного рентгеновского излучения и т.д.,стимулируют поиск путей увеличения транспортируемой за импульс энергии.
Решение этой проблемы на основе инжекторов со взрывной эмиссией встретило ряд непреодолимых препятствий. Прежде всего оказалась ограниченной длительность импульса пучка.
Выход из сложившейся ситуации ищут либо в ограничении скорости распространения катодной плазмы за счет магнитной изоляции, либо в отказе от использования взрывной эмиссии.
В последнем случае в качестве источника заряженных частиц (электронов) рассматриваются традиционные термоэмиттеры,плазменные эмиттеры и эмиттеры, использующие вторичную ион-электронную эмиссию.
Эти источники принципиально позволяют генерировать электронные потоки произвольной длительности, но существенно уступают устройствам, основанным на взрывной эмиссии,как по величине полного тока,так и по его плотности. Успехи, достигнутые в разработке данных типов эмиттеров,позволили довести энергию в импульсе до 10 Дж при длительности импульса * ЮОмкс.
Использование квазистационарных (длинноимпульсных) пучков расширяет круг физических явлений,возникающих при их взаимодействии с различными средами, и стимулирует поиск новых путей генерирования и формирования таких пучков.
Обилие экспериментальных работ по генерированию квазистационарных электронных пучков в различных инжекторах создает впечатление, что проблема в принципе решена. Однако все обстоит значительно сложнее.
При проектировании инжекторов, формирующих сильноточные (высокопервеансные) квазиставдонарные электронные пучки, используются методы расчета вакуумных электронно-оптических систем (ЭОС), которые интенсивно разрабатывались последние сорок лет. В реальных ЭОС,формирующих квазистационарные пучки,всегда присутствует остаточный газ. Образующиеся в процессе ионизации газа ионы не только количественно, но и качественно изменяют распределение пространственного заряда в инжекторе.Это приводит к изменению электронно-оптических характеристик формируемых пучков даже при небольших давлениях заполняющего газа и, как следствие, к росту аберрационной температуры. Кроме того, на выходе из квазистационарных инжекторов почти всегда присутствует плазма, положение и форма границы которой также влияют на электронно-оптические характеристики пучка.
К началу настоящих исследований методы расчета ЭОС с газовым наполнением не были разработаны. Не существовало и не существует в настоящее время (в части анализа) программных комплексов, позволяющих корректно, на инженерно - физическом уровне, рассчитывать газонаполненные ЭОС реальных приборов. Если эта проблема будет успешно решена,то станет возможным не только корректный расчет известных ЭОС, но и создание принципиально новых газонаполненных систем формирования квазистационарных электронных пучков с высокой плотностью тока (порядка
I кА/см^) и минимальными углами расходимости.
Как уже отмечалось, для создания высокопервеансных квазистационарных электронных пучков необходимо решить проблему эмиссии. В качестве эмиттера наиболее широко используются термоэмиссионные катоды. Однако они обладают рядом недостатков. При переходе от экспериментальных исследований к практическому использованию инжекторов с термоэмиттерами становится очевидным несоответствие стационарного разогрева термокатода импульсному режиму отбора электронов. Даже при успешном решении инженерных проблем нагрева крупногабаритных катодов чрезвычайно острой остается задача компрессии благодаря невысокой средней плотности тока эмиссии (« 10 А/см2).
В последнее время для решения проблемы квазистационарной эмиссии стали применять плазменные эмиттеры электронов. Для современной техники газового разряда не представляет сложности создание квазистационарной плазмы с концентрацией электронов «10 см ,что соответствует плотности хаотического электронного тока в плазме-З^ЮОА/см2. Это позволяет надеяться на создание высокоэффективных эмиттеров электронов.
В плазменных эмиттерах возможно осуществление импульсного режима работы,что дает существенный выигрыш в средней мощности, затрачиваемой на получение необходимого потока электронов, по сравнению с термоэмиттерами. Немаловажным достоинством плазменных эмиттеров является возможность безынерционного управления током эмиссии при неизменной энергии ускоряемых электронов и малых затратах мощности систем питания.
Благодаря нечувствительности плазменных эмиттеров к ионной бомбардировке, устраняется проблема отравления эмиттера, чрезвычайно острая для термоэмиттеров.
К моменту постановки задачи диссертации практические достижения в разработке плазменных эмиттеров явились преимущественно результатом эмпирического поиска и искусства экспериментаторов. Значительный прогресс в этой области связан с работами ію.ц.крейнделяї, его сотрудников и учеников. Однако до настоящего времени основные вопросы физики квазистационарной эмиссии электронов из плазмы газовых разрядов остаются малоизученными, что не позволяет полностью реализовать потен-
циальные возможности плазменных эмиттеров.
Существует еще один путь получения квазистационарных электронных пучков, основанный на использовании в качестве источника электронов высоковольтного тлеющего разряда (ВТР).
Преимущества получения интенсивных пучков с помощью ВТР очевидны - отпадает необходимость подвода стационарной мощности для подогрева катода. Наличие границы плазмы вблизи анода ускорителя позволяет надеяться на устранение анодных аберраций.
Однако этот метод имеет и ряд недостатков. Достигнутые на момент начала наших исследований средние плотности тока на катоде и разрядные напряжения сравнительно невелики а < 1 А/см2, U < 100 кВ). Отсутствуют методы расчета ЭОС ВТ?Р и все вопросы формирования пучков решаются экспериментально.
Таким образом, решение перечисленных задач, неразрывно связанное с разработкой методов расчета газонаполненых ЭОС, является актуальным.
Изложив основные проблемы, стоящие на пути создания квазистационарных сильноточных инжекторов электронных пучков, сформулируем цели настоящей работы и пути их достижения.
Целью настоящей работы является теоретическое и экспериментальное обоснование физических принципов построения и методов расчета газонаполненных ускоряющих систем с плазменными и другими видами эмиттеров, формирующих квазистационарные сильноточные электронные пучки.
Для достижения намеченной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Исследовать физику возмущения плазмы газового разряда низкого давления электронным коллектором, на который отбирается ток электронов,сравнимый с током разряда,и построить теоретические модели плазменного эмиттера с сеточной стабилизацией;
-
Создать макеты инжекторов с плазменными эмиттерами, исследовать их эмиссионные свойства и экспериментально обосновать физические модели извлечения и ускорения электронов из плазмы газовых разрядов низкого давления.
-
Разработать методы и алгоритмы расчета ускоряющих систем с газовым наполнением. Создать автоматизированный программный комплекс, позволяющий рассчитывать двухмерные газонапол-
ненные ускоряющие системы с любой геометрией электродов и любым типом эмиттеров (в том числе -плазменных). Провести с его помощью исследования различных ускоряющих систем.
4. Теоретически исследовать компрессию сильноточных
электронных пучков с низкой плотностью тока эмиссии попереч
ным электрическим полем и доказать экспериментально возмож
ность создания ускорителя с электростатическим компрессором.
5. Разработать и экспериментально обосновать физические
принципы построения и методы расчета ускоряющих систем на ос
нове высоковольтного тлеющего разряда.
Метод исследования. Использовался комплексный подход к решению поставленных задач,включающий физические эксперименты и анализ их результатов на простых физических моделях,построение адекватных теоретических моделей исследуемых явлений,разработка алгоритмов расчетов, численные решения и сравнение с результатами экспериментов. В экспериментах применялись известные и специально разработанные,взаимно дополняющие зондо-вые, электрические и оптические методики.
Достоверность результатов подтверждается систематическим характером экспериментальных исследований,хорошим совпадением результатов, полученных разными методами, удовлетоворительным согласием теоретических и экспериментальных результатов, сопоставлением полученных результатов с результатами других исследователей.
При разработке программного комплекса для расчета двухмерных газонаполненных ускоряющих систем проводилось сравнение полученных в ходе численных экспериментов результатов с результатами расчетов по более точным одномерным кинетическим моделям и с результатами экспериментов.
Научная новизна результатов исследований и выводов определяется тем.что впервые:
I.Проведен теоретический анализ физики стационарной эмиссии электронов из плазмы газового разряда в отсутствие магнитного поля. Определены критерии, выполнение которых обеспечивает существование насыщения электронного тока коллектора и стабилизацию возмущений газового разряда низкого давления (кнуд-сеновский режим). Показано, что эти критерии зависят от спосо-
ба реализации эмиссии, от свойств газового разряда, от давления и рода газа. Площадь собирающей электроны поверхности - ?е должна удовлетворять условию Fg< F-(d_/3r), где F-шющадь поперечного сечения разряда, d - плотность тока разряда. Давление вблизи коллектора должно удовлетворять критерию р < р , где р определяется приближенно из условия интегральной квазинейтральности слоя пространственного заряда для выбранного рода газа.
2.Предложена теоретическая модель плазменного эмиттера с сеточной стабилизацией, в котором используется разряд с горизонтальной вольт-амперной характеристикой. Данный тип эмиттера обладает преимуществом, благодаря наличию обратной связи, препятствующей самопроизвольному росту тока коллектора. С увеличением разности потенциалов между плазмой и анодом (благодаря возмущению тока разряда) электроны поступают в ускоряющий промежуток через возросший потенциальный барьер и с меньшей поверхности плазмы. Показана возможность создания квазистационарного эмиттера с сеточной стабилизацией на основе тлеющего разряда с полым катодом при плотности тока эмиссии =* 100 А/см2.
3.Экспериментально показано, что извлечение электронов из плазмы в кнудсеновском режиме не приводит к росту ее концентрации и температуры электронов, а сопровождается лишь изменением разности потенциалов между плазмой и анодом (благодаря незначительному увеличению тока разряда), если выполнены критерии стабилизации эмиссии.
Первеанс ускоряющего промежутка определяется давлением газа, концентрацией плазмы в пространстве дрейфа и может существенно превышать вакуумный первеанс при сохранении удовлетворительного качества пучка. Обнаружена неустойчивость электронного пучка и плазмы в разряде, возникающая когда плотность тока эмиссии превышает величину, определяемую первеансом газонаполненного диода.
4. Разработаны алгоритмы расчета методом анализа газонаполненных ускоряющих систем с плазменными эмиттерами, которые позволяют учесть взаимодействие ускоряемых частиц с газовым наполнением в двухмерной геометрии.
-
Исследованы ускорение и формирование электронного пучка в газонаполненном триоде с плотностью тока эмиссии =« 100 А/см2. Показана возможность компрессии пучка во втором каскаде триода благодаря наличию протяженной области с избыточным положительным пространственным зарядом.
-
Предложена и исследована ионно-оптическая система с плазменным эмиттером, позволящая формировать ионные пучки с малой расходимостью при значительном (от 10 кВ до 100 кВ) изменении ускоряющего напряжения без изменения тока пучка.
-
Предложен и экспериментально исследован способ компрессии пучка с низкой плотностью тока эмиссии (до 10 А/см2) поперечным электрическим полем в устройстве, названном электростатическим компрессором, форма электродов которого определяется током пучка и его энергией. В условиях оптимального согласования компрессора с ускоряющим промежутком не наблюдалось развитие неустойчивости, и был сформирован пучок с энергией 200 кВ и током - 240 А.
-
Разработаны методы расчета двухмерных электронно-оптических систем ВТР,корректность которых подтверждена сравнением с результатами экспериментов. Обнаружено нарушение принципа подобия, вызванное двухмерностью рассмотренных электронно-оптических систем ВТР. Создан и экспериментально исследован ускоритель на основе ВТР,который позволил получить электронный пучок с током до 20 А и энергией до 100 кВ при средней плотности тока на катоде до 1,5 А/см .
Практическая значимость работы.
Экспериментально обоснованные принципы извлечения и ускорения электронов из плазмы газовых разрядов позволяют создавать квазистационарные плазменные эмиттеры с плотностью тока =< 100 А/см1-,значительно превышающей плотность тока термоэмиттеров .
Программный комплекс "BEAM-CAD", разработанный для расчета ускоряющих систем с газовым наполнением,позволяет проектировать с помощью ЭВМ новые типы приборов,которые ранее можно было создавать только в ходе трудоемких и тщательных экспериментов.
Представленные в работе результаты исследований ускорителя с электростатическим компрессором позволили обосновать метод формирования сильноточных релятивистких электронных пучков с высокой яркостью путем их электростатической компрессии и показать, что, несмотря на использование эмиттеров с низкой величиной ЗпГ1(до 10 А/см ), возможно формирование пучков с то-ком до 0,5 кА.
Экспериментально обоснованные физические принципы построения и метода расчета ускоряющих систем на основе высоковольтного тлеющего разряда позволяют создавать ускорители и новые типы технологических пушек ВТР широкого назначения.
Апробация. Результаты работы докладывались на III Международной конференции по мощным электронным и ионным пучкам. Новосибирск,1979. IY.V.VI Всесоюзных симпозиумах по сильноточной электронике.Томск,1982,1984,1986 гг. VI Всесоюзной конференции по физике низкотемпературной плазмы.Ленинград,1983г. V Всесоюзном симпозиуме по ненакаливаемым катодам.Томск,1985 г. Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 33 работах. Основные результаты содержаться в работах, список которых приведен в конце автореферата.
Личный вклад автора. Общий анализ проблемы.Постановка задач и проведение всех теоретичесих и экспериментальных исследований, представленных в работе. Разработка основных конструктивных решений макетов экспериментальных инжекторов. Разработка методов расчета и большинства алгоритмов комплекса "BEAM-CAD". Все результаты, составляющие научную новизну диссертации и выносимые на защиту, получены автором лично.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложения. Во введении обосновывается актуальность проблемы, формулируется цель и задачи работы, дается краткое содержание, подчеркивается научная новизна, обосновывается практическая значимость работы, приводятся результаты,выносимые на защиту, указывается личный вклад автора. В первой главе проведен анализ возмущения плазмы электронным коллектором и рассмотрены теоретические модели плазменных эмиттеров с сеточной стабилизацией. Во второй главе изложены результаты экспериментальных
