RU1706330C - Method of forming microsecond high-precision electron beams - Google Patents

Method of forming microsecond high-precision electron beams Download PDF

Info

Publication number
RU1706330C
RU1706330C SU4777358A RU1706330C RU 1706330 C RU1706330 C RU 1706330C SU 4777358 A SU4777358 A SU 4777358A RU 1706330 C RU1706330 C RU 1706330C
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
current density
forming
plasma
electron beams
anode
Prior art date
Application number
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Г.Е. Озур
Д.И. Проскуровский
Original Assignee
Институт сильноточной электроники СО РАН
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Институт сильноточной электроники СО РАН filed Critical Институт сильноточной электроники СО РАН
Priority to SU4777358 priority Critical patent/RU1706330C/en
Application granted granted Critical
Publication of RU1706330C publication Critical patent/RU1706330C/en

Links

Images

Landscapes

  • Electron Sources, Ion Sources (AREA)

Abstract

FIELD: electronics. SUBSTANCE: in the method condition of selection of duration of pulse front of accelerating voltage is determined from the equation, given in the description of the invention. EFFECT: improved beam current density. 2 dwg

Description

Изобретение относится к сильноточной эмиссионной электронике. The invention relates to high-current emission electronics.

Из основного авт. св. N 1478891 известен способ формирования микросекундных сильноточных электронных пучков в электронной пушке путем включения искровых источников анодной плазмы и подачи ускоряющего напряжения на катод, в котором с целью улучшения однородности пучка по сечению, электронную пушку помещают во внешнее ведущее магнитное поле и непосредственно перед подачей ускоряющего напряжения на катод подают импульс напряжения положительной полярности длительностью τ + = (10-8 - 10-6) с амплитудой не менее 100 В, обеспечивающей плотность электронного тока на катод j(А/см2) согласно соотношению j = (1-5)10-2 τ + -1/2.From the main author. St. No. 1478891 discloses a method for generating microsecond high-current electron beams in an electron gun by switching on the spark sources of the anode plasma and applying accelerating voltage to the cathode, in which, in order to improve the beam uniformity over the cross section, the electron gun is placed in an external driving magnetic field and immediately before the accelerating voltage is applied to the cathode is supplied with a voltage pulse of positive polarity of duration τ + = (10 -8 - 10 -6 ) with an amplitude of at least 100 V, providing an electron current density to the cathode j (A / cm 2 ) according to the relation j = (1-5) 10 -2 τ + -1/2 .

Недостатком этого способа является относительно невысокая плотность тока пучка, ограниченная эмиссионной способностью предварительно создаваемой анодной плазмы. The disadvantage of this method is the relatively low beam current density, limited by the emissivity of the previously generated anode plasma.

Целью изобретения является повышение плотности тока пучка. The aim of the invention is to increase the beam current density.

Поставленная цель достигается тем, что длительность фронта импульса ускоряющего напряжения выбирают из условия tф<

Figure 00000002
Figure 00000003
, (1) где Z - средний заряд иона анодной плазмы;
М - масса иона анодной массы, кГ;
na - концентрация анодной плазмы, м-3;
ε о - диэлектрическая постоянная, Ф/м;
е - заряд электрона, Кл.The goal is achieved in that the duration of the pulse front of the accelerating voltage is selected from the condition t f <
Figure 00000002
Figure 00000003
, (1) where Z is the average charge of the anode plasma ion;
M is the mass of the anode mass ion, kg;
n a is the concentration of the anode plasma, m -3 ;
ε about - dielectric constant, f / m;
e is the electron charge, CL.

По прототипу электронный пучок формируется в двойном слое (ДС) между катодной и анодной плазмами, причем плотность тока в ДС подчиняется соотношению Чайлда-Ленгмюра для биполярного потока (1), je= j

Figure 00000004
, (2) где m - масса электрона; ji - плотность ионного тока насыщения анодной плазмы (в электронных пушках с плазменным анодом и взрывоэмиссионным катодом концентрация катодной плазмы в течение большей части импульса превышает концентрацию анодной плазмы).According to the prototype, an electron beam is formed in a double layer (DS) between the cathode and anode plasmas, and the current density in the DS obeys the Child-Langmuir relation for a bipolar stream (1), j e = j
Figure 00000004
, (2) where m is the mass of the electron; j i is the density of the ion current of saturation of the anode plasma (in electron guns with a plasma anode and an explosion-emission cathode, the concentration of the cathode plasma during most of the pulse exceeds the concentration of the anode plasma).

Таким образом, плотность тока пучка электронов, определяемая из соотношения (2), является предельная для квазистационарного ДС. Экспериментально установлено, что при уменьшении длительности фронта импульса меньше некоторой величины возможно значительное (в два и более раз) увеличение плотности тока пучка как во время нестационарной стадии токоотбора, так и на последующей квазистационарной стадии эволюции ДС. В нестационарной стадии tф < tп (где tп - время пролета ионом слоя) распределение объемного заряда ионов в ДС таково (2), что степень нейтрализации электронного потока может быть существенно выше, чем в стационарном ДС, что обеспечивает повышение плотности тока пучка.Thus, the current density of the electron beam, determined from relation (2), is the limit for a quasistationary DW. It was experimentally established that with a decrease in the duration of the pulse front less than a certain value, a significant (two or more times) increase in the beam current density is possible both during the unsteady stage of current collection, and at the subsequent quasistationary stage of evolution of the DW. In the unsteady stage, t f <t p (where t p is the time taken by the ion of the layer) the distribution of the space charge of ions in the DW is such (2) that the degree of neutralization of the electron flux can be significantly higher than in the stationary DW, which ensures an increase in the beam current density .

Время пролета tп оценивается (снизу), как tп=

Figure 00000005
Figure 00000006
, (3) где Vicp - среднее за время пролета значение скорости иона;
U - ускоряющее напряжение к концу фронта импульса (t = tф);
dсл - толщина двойного слоя.The flight time t p is estimated (from below) as t p =
Figure 00000005
Figure 00000006
, (3) where V icp is the average ion velocity over the time of flight;
U is the accelerating voltage to the end of the pulse front (t = t f );
d SL - the thickness of the double layer.

Минимальное значение достигается при ступенчатом ((tф≃ 0 ) импульсе напряжения. В этом случае nа = соnst, и решение управления Пуассона для слоя можно записать как dсл=

Figure 00000007
. (4)
Из формул (3) и (4) получаем выражение для времени пролета tп≃
Figure 00000008
. (5)
Нестационарность ДС обеспечивается при tф < tп. В результате получаем выражение (1)
tф<
Figure 00000009
.The minimum value is reached in a step ((t f ≃ 0) pulse voltage. In this case a = n sonst and Poisson management solution for the layer can be written as d = cl
Figure 00000007
. (4)
From formulas (3) and (4) we obtain the expression for the time of flight t p ≃
Figure 00000008
. (5)
The nonstationarity of the DS is ensured at t f <t p . As a result, we obtain the expression (1)
t f <
Figure 00000009
.

Эксперименты показали также, что при выполнении условия (1) плотность тока пучка превышает расчетную по (2) не только на нестационарной стадии t

Figure 00000010
tф, но и на квазистационарной стадии эволюции ДС. Это обусловлено перераспределением значительной (порядка нескольких киловольт) части падения потенциала из ДС в анодную плазму, в область ее повышения концентрации. Очевидно, что концентрация (а, следовательно, эмиссионная способность) анодной плазмы увеличивается по мере приближения к плотности, в которой расположены искровые источники.The experiments also showed that when condition (1) is fulfilled, the beam current density exceeds the calculated density according to (2) not only at the non-stationary stage t
Figure 00000010
t f , but also at the quasistationary stage of DS evolution. This is due to the redistribution of a significant (of the order of several kilovolts) part of the potential drop from the DS to the anode plasma, in the region of its increase in concentration. It is obvious that the concentration (and, therefore, the emissivity) of the anode plasma increases as it approaches the density in which the spark sources are located.

Поэтому проникновение электрического поля "вглубь" анодной плазмы обеспечивает увеличение ji, а следовательно, и плотности тока пучка электронов согласно (2).Therefore, the penetration of the electric field "deep" of the anode plasma provides an increase in j i and, consequently, the current density of the electron beam according to (2).

На фиг. 1 приведена схема питания электронной пушки, позволяющая варьировать длительность фронта импульса ускоряющего напряжения (Сн - емкостный накопитель; ФЛ - формирующая линия. Л1 и Л3 - передающие линии; Р1 и Р2 - разрядники; Rg - плазмонаполненный диод, С1 - емкость коррекции фронта импульса напряжения); на фиг. 2 приведены зависимости отношения измеренной плотности тока пучка jизм к рассчитанной jр по (2) от величины tф для двух моментов токоотбора (t = tф и t = 7tф). Момент времени t - 7tф соответствует квазистационарной стадии токоотбора, момент t = tф - нестационарной стадии при выполнении условия (1).In FIG. 1 shows the power supply circuit of the electron gun, which allows you to vary the duration of the pulse front of the accelerating voltage (C n - capacitive storage; PL - forming line. L 1 and L 3 - transmission lines; P 1 and P 2 - dischargers; R g - plasma-filled diode, C 1 - capacitance correction of the front of the voltage pulse); in FIG. Figure 2 shows the dependences of the ratio of the measured beam current density j ISM to the calculated j p according to (2) on the value of t f for two moments of current collection (t = t f and t = 7t f ). The time t - 7t f corresponds to the quasistationary stage of current collection, the moment t = t f to the non-stationary stage when condition (1) is fulfilled.

Предлагаемый способ реализован в том же электронном источнике, что и способ по основному изобретению. Схема электропитания источника действует следующим образом. При подаче импульса на поджигающий электрод разрядника Р1 формирующая линия ФЛ разряжается через передающие линии Л2и Л3, причем амплитуда импульса бегущих волн равна +U2/2. При достижении волной, бегущей по линии Л2 разрядника Р2 амплитуда ее удваивается, и разрядник Р2 оказывается под перенапряжением, равным Up2 ≈ U2 + U1. Разрядник Р2 быстро (за 3-5 нс) пробивается и емкость Сн через линии Л1-Л3 и ФЛ разряжается на нагрузку Rg (плазмонаполненный диод).The proposed method is implemented in the same electronic source as the method according to the main invention. The power supply circuit of the source operates as follows. When applying impulse to the igniter P of the arrester 1 forming line PL is discharged via transmission lines L 2 and L 3, wherein the pulse amplitude traveling waves is + U 2/2. When the wave traveling along the line L 2 of the arrester P 2 reaches its amplitude doubles, and the arrester P 2 is under an overvoltage equal to U p2 ≈ U 2 + U 1 . The spark gap P 2 breaks through quickly (in 3-5 ns) and the capacitance C n passes through the lines L 1 -L 3 and the PL discharges to the load R g (plasma-filled diode).

Варьирование величины tф осуществлялось изменением величины емкости С1. В данном случае tф≃ 3ρC′, где ρ- волновое сопротивление линий Л1-Л3 и ФЛ. При C′

Figure 00000011
3·10-10 nФ величина tф (определилась параметрами разрядника Р2. Предварительно (в отсутствие пучка) зондовым и масс-спектрическим методами измерялись параметры анодной плазмы: ji, na, Z и М.The variation of the value of t f was carried out by changing the value of the capacitance C 1 . In this case, t f ≃ 3ρC ′, where ρ is the wave impedance of the lines L 1 -L 3 and PL. For C ′
Figure 00000011
3 · 10 -10 nF the value of t f (determined by the parameters of the spark gap P 2. Previously (in the absence of a beam) the parameters of the anode plasma were measured by probe and mass spectral methods: j i , n a , Z and M.

При этом оказалось, что плотность ионного тока насыщения анодной плазмы ji уменьшается с 1,5 до 0,6 А/см2 при изменении расстояния l между зондом и плоскостью, в которой расположены искровые источники, от 1 до 3 см (последнее значение l соответствует расстоянию до плоскости катода).It turned out that the density of the ion current of saturation of the anode plasma j i decreases from 1.5 to 0.6 A / cm 2 when changing the distance l between the probe and the plane in which the spark sources are located, from 1 to 3 cm (the last value l corresponds to the distance to the plane of the cathode).

Концентрация анодной плазмы в непосредственной близости к катоду составляла na = 1,1˙1018 м-3; средний заряд иона Z ≃ 1,2 ; масса иона М = 12˙1,67˙10-27 кг (плазма состояла более чем на 90% из ионов углерода).The concentration of the anode plasma in close proximity to the cathode was n a = 1.1 × 10 18 m -3 ; the average charge of the ion Z ≃ 1.2; the mass of the ion M = 12˙1.67˙10 -27 kg (the plasma consisted of more than 90% of carbon ions).

Полученные данные позволили рассчитать величину, стоящую в правой части неравенства (1), и определить величину tф < <4,2˙10-9 c, необходимую для реализации предлагаемого способа.The data obtained allowed us to calculate the value on the right side of inequality (1), and to determine the value of t f <<4,2˙10 -9 s necessary for the implementation of the proposed method.

Полученные данные позволили также построить расчетные осциллограммы jp(t) согласно соотношению (2) и сравнить их с экспериментально наблюдаемыми при различных значениях tф (изменение tф осуществлялось специальными схемными изменениями в системе питания электронной пушки).The data obtained also made it possible to construct the calculated oscillograms j p (t) according to relation (2) and compare them with the experimentally observed ones at various values of t f (the change in t f was carried out by special circuit changes in the power supply system of the electron gun).

Результаты расчетов и обработки экспериментальных данных отражены в зависимостях, приведенных на фиг. 2, из которых видно, что наибольшее увеличение плотности тока пучка достигается при tф = 4 нс для обоих моментов времени, т. е. при выполнении условия (1).The results of calculations and processing of experimental data are reflected in the dependences shown in FIG. 2, from which it is seen that the greatest increase in the beam current density is achieved at t f = 4 ns for both time instants, i.e., when condition (1) is satisfied.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет в два и более раз увеличить плотность тока пучка электронов по сравнению с основным изобретением. (56) Луценко Е. И. и др. Физика плазмы, 1976, т. 2, в. 1, с. 72-81. Thus, the proposed method allows two or more times to increase the current density of the electron beam in comparison with the main invention. (56) Lutsenko E.I. et al. Plasma Physics, 1976, v. 2, v. 1, p. 72-81.

Иваненков Г. В. Физика плазмы, 1982, т. 8, в. 6, с. 1184-1191. Ivanenkov G.V. Plasma Physics, 1982, v. 8, v. 6, p. 1184-1191.

Авторское свидетельство СССР N 1478891, кл. Н 01 J 9/02, 1987. USSR author's certificate N 1478891, cl. H 01 J 9/02, 1987.

Claims (1)

СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ МИКРОСЕКУНДНЫХ СИЛЬНОТОЧНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ по авт. св. N N 1478891, отличающийся тем, что, с целью повышения плотности тока пучка, длительность фронта tф (с) импульса ускоряющего напряжения выбирают из условия
tф<
Figure 00000012
Figure 00000013
,
где e = 1,6 · 10-19 - заряд электрона, Кл;
εо = 8,85 · 10-12 - диэлектрическая постоянная, Ф/м;
L - средний заряд иона анодной плазмы;
M - масса иона анодной плазмы, кГ;
nа - концентрация анодной плазмы, м-3.METHOD FOR FORMING MICROSECOND HIGH-CURRENT ELECTRON BEAMS according to ed. St. NN 1478891, characterized in that, in order to increase the beam current density, the front duration t f (s) of the accelerating voltage pulse is selected from the condition
t f <
Figure 00000012
Figure 00000013
,
where e = 1.6 · 10 -19 is the electron charge, C;
ε about = 8.85 · 10 -12 - dielectric constant, f / m;
L is the average charge of the anode plasma ion;
M is the mass of the anode plasma ion, kg;
n a - the concentration of the anode plasma, m -3 .
SU4777358 1990-01-04 1990-01-04 Method of forming microsecond high-precision electron beams RU1706330C (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU4777358 RU1706330C (en) 1990-01-04 1990-01-04 Method of forming microsecond high-precision electron beams

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU4777358 RU1706330C (en) 1990-01-04 1990-01-04 Method of forming microsecond high-precision electron beams

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU1706330C true RU1706330C (en) 1994-05-30

Family

ID=30441603

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SU4777358 RU1706330C (en) 1990-01-04 1990-01-04 Method of forming microsecond high-precision electron beams

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU1706330C (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7898183B2 (en) Methods and apparatus for generating strongly-ionized plasmas with ionizational instabilities
EP1726190B1 (en) Methods and apparatus for generating strongly-ionized plasmas with ionizational instabilities
Reess et al. The role of the field-effect emission in Trichel pulse development in air at atmospheric pressure
Bugaev et al. Enhanced ion charge states in vacuum arc plasmas using a “current spike” method
Ryabchikov et al. Vacuum arc ion and plasma source Raduga 5 for materials treatment
Anders et al. High ion charge states in a high‐current, short‐pulse, vacuum arc ion source
RU1706330C (en) Method of forming microsecond high-precision electron beams
Koval et al. The Effect of Gas on the Development of a Vaccum Arc with a Hollow Anode
US4211983A (en) High energy electron beam driven laser
Nazarov et al. Production of low-energy high-current electron beams in a reflected-discharge plasma-anode gun
Ryabchikov et al. Sources and methods of repetitively pulsed ion/plasma material treatment
Zhu et al. An improved pulse-line accelerator-driven, intense current-density, and high-brightness pseudospark electron beam
RU2341846C1 (en) Method of obtaining electron beam and device to this end (versons)
Krasik et al. High-current electron sources based on gaseous discharges
Khomich et al. Generation of plasma inhomogeneities and their total suppression in a volume self-sustained discharge
Kuzmichev et al. Investigation of a pulsed magnetron sputtering discharge with a vacuum pentode modulator power supply
RU2237942C1 (en) Heavy-current electron gun
RU1706329C (en) Method for electron beam forming by means of an explosion emission electron gun
Krokhmal et al. Electron beam generation in a diode with a gaseous plasma electron source II: Plasma source based on a hollow anode ignited by a hollow-cathode source
Kokovin et al. Characteristics of stationary negative corona discharge in atmospheric air
Abrahamyan et al. On the possibility of accelerating charged particles in the low-pressure acoustoplasma and plasma bunches in the air
RU121813U1 (en) DEVICE FOR MODIFICATION OF SOLID SURFACE
SU708942A1 (en) Impulsive ion accelerator
RU2116707C1 (en) Device for generation of low-temperature gas- discharge plasma
Andreev et al. Evolution of energy spectra of the electronic component for plasmoids generated under autoresonance conditions in a long magnetic mirror