RU2003127683A - Способ получения пучков быстрых электронов, ионов, атомов, а также уф и рентгеновского излучения, озона и/или других химически активных молекул в плотных газах - Google Patents

Claims (16)

1. Способ получения пучков быстрых электронов, ионов, атомов, а также рентгеновского и УФ излучения, озона и/или других химически активных молекул, заключающийся в том, что импульс высокого напряжения прикладывают к системе электродов в газе давлением выше нескольких сот Па (выше 500 Па в большинстве газов), отличающийся тем, что быстрые электроны (ионы, атомы), а также УФ и рентгеновское излучение, (в некоторых газах - еще и химически активные молекулы) генерируют (как в объемном, так и в скользящем газовом разрядах, а также в разряде в газонаполненной экранированной или неэкранированной диэлектрической трубке) с системой электродов анод - катод, или при наличии нескольких анодов или катодов, и даже при наличии только уединенного высоковольтного электрода (униполярный коронный разряд с убегающими электронами) при средней напряженности электрического поля в межэлектродном промежутке (или вблизи уединенного высоковольтного электрода вне зоны ионизации) существенно ниже критического для генерации убегающих электронов значения, для чего режим работы импульсно - периодического газового разряда выбирают в соответствии со следующим условием

(E_n - характерное значение напряженности электрического поля в приэлектродной области фронта волны ионизации;

N - концентрация нейтральных частиц газовой смеси в рассматриваемой области электрического поля;

U - потенциал высоковольтного электрода относительно земли или другого ближайшего электрода;

- размер вдоль направления среднего электрического поля области пространственно-временной локализации высоковольтного потенциала;

- длительность импульса потенциала U;

V_n - скорость движения фронта волны ионизации медленных (плазменных) электронов;

Е=U/d - среднее поле в масштабе размера d,

- скорость нарастания прикладываемого к высоковольтному электроду потенциала;

d - характерный размер межэлектродного промежутка или характерный радиус кривизны поля вблизи одиночного высоковольтного электрода;

U₀ - амплитуда импульса потенциала;

(E/N)_cr - напряженность электрического поля Е_cr, приведенная к единичной концентрации газа, при которой электроны в данном газе могут приобрести достаточную для “убегания” энергию),

другими словами, прикладывают к электроду (электродам) высоковольтный потенциал U с достаточно высокой скоростью нарастания

и достаточно короткой длительностью импульса

при достаточно низком значении Е (достаточно большом d, определяющем достаточно малую величину V_n~Е (в продольном поле) и достаточно большую величину

и за время

(меньшее τ_d) в некоторой приэлектродной области (области генерации убегающих электронов), имеющей размер Δ порядка размера зоны ионизации (для коронного разряда) и существенно меньший длины межэлектродного промежутка d (для объемного и скользящего по поверхности диэлектрика разрядов, а также для разрядов в экранированной и неэкранированной диэлектрической трубке или в разряде, являющемся комбинацией из

вышеперечисленных), осуществляют вблизи одного или нескольких электродов пространственно - временную локализацию фронта волны ионизации газа, двойной слой заряженных частиц которого обеспечивает, во-первых, ускорение ионов и быстрых атомов (получаемых, в основном, при резонансной перезарядке ионов в плотных газах) в направлении катода или диэлектрика, по которому распространяется разряд, формирующих пучок быстрых ионов и атомов в зоне ионизации вблизи катода или диэлектрика, выбивающих из них достаточное для начала разряда число электронов и, если катод или диэлектрик имеют отверстия, проникающий в область за катод или за диэлектрик, во-вторых, - ускоряющееся перемещение области размером

вдоль поверхности диэлектрика до его границы с анодом или с газовым объемом, по которому разряд продолжается до анода (скользящий разряд, разряд в диэлектрических трубках и их комбинации с объемным разрядом) с нарастанием концентрации и энергии электронов в этой области, а в-третьих, нарастание напряженности электрического поля выше критического для убегания электронов значения в области размером Δ на время порядка τ_U, после чего в основном разрядном объеме проходит волна ионизации (и, в некоторых условиях, “встречная” волна ионизации от другого электрода, компенсирующая образованный первой волной пространственный положительный заряд), ускоряющая и/или лавинно размножающая убегающие электроны и электроны ионизационного каскада в среднем поле, искаженном объемным зарядом положительных ионов, и формируется пучок (пучки) быстрых электронов (пролетающих, в частности, за анод из металлической сетки или достаточно тонкой фольги), при торможении которых электрическим полем положительных ионов, нейтральными частицами газа, элементами конструкции разрядной области (включая, например, антикатод из тяжелого металла) и/или дополнительным внешним электрическим полем генерируют тормозное и характеристическое рентгеновское излучение, а также - коротковолновое оптическое (обычно УФ и фиолетовое) излучение (за счет, в основном, возбуждения тяжелых частиц газа электронами ионизационного каскада, ускоренными средним электрическим полем разряда) и различные химически активные соединения (такие, как озон иди окислы азота в воздухе) при взаимодействии электронов ионизационного каскада с молекулами (атомами) газа.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что наряду с обеспечением генерации быстрых электронов с энергией ε из приэлектродных областей газового разряда за счет выполнения условия (1), в биполярных (многополярных) разрядах обеспечивают дополнительное ускорение этих убегающих из приэлектродных областей электронов в среднем поле межэлектродного промежутка для чего за счет выбора достаточно малого значения d наряду с условием (1) выполняют условие

(е - заряд электрона;

- известные удельные потери энергии электронов с энергией

в газе).

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что увеличения мощности генерируемого ионизирующего излучения или для получения пучков ионизирующего излучения и химически активных молекул при недостаточно малой τ_U, ограниченной характеристиками применяемого источника высоковольтного питания (для необходимой в последнем случае задержки развития объемного стримерного разряда в соответствии с условием (3)) используют комбинацию объемного разряда с разрядом по поверхности диэлектрика, либо с разрядом в диэлектрической трубке (экранированной или не экранированной, имеющей одно или несколько выходных отверстий) или в диэлектрическом канале, длину диэлектрической части L в которых выбирают в диапазоне (2-4)d.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что при недостаточно короткой длительности τ_U используют возможность обострить напряжение (укоротить фронт импульса напряжения) на промежутке высоковольтный электрод - заземленный электрод (на электродах газового диода) примерно в К раз за счет выбора индуктивности L и емкости С диода (замеренных между точкой соединения высоковольтного выхода источника питания с высоковольтным электродом диода и общей точкой заземленного электрода диода и заземления источника питания) в соответствии с соотношением

при необходимости укорачивая затем длительность обостренного импульса напряжения до необходимой величины (3) срезающим разрядником или т.п.

5. Способ по п.2, отличающийся тем, что для увеличения общего числа быстрых электронов, ионов, атомов и - в соответствующей газовой смеси - химически активных частиц, а также увеличения мощности рентгеновского и оптического излучения, генерируемых газовым разрядом с убегающими электронами, режим разряда (1) обеспечивают одновременно для множества генерирующих быстрые электроны приэлектродных областей, для чего как минимум один разрядный электрод выполняют в виде металлической поверхности необходимой площади, имеющей набор неоднородностей с размерами, стремящимися к одинаковым и существенно меньшими d, при отношении высоты и толщины неоднородности, стремящемуся к 10, а для получения максимально однородных в поперечном сечении пучков ионизирующего излучения отношение средних расстояний между максимумами неоднородностей на разных электродах делают, по - возможности, близким к отношению поперечных размеров этих электродов между собой, причем среднее расстояние между неоднородностями на меньшем электроде делают не менее поперечного размера приэлектродной области, генерирующей убегающие электроны, в противном случае меньший электрод может иметь металлическую поверхность, гладкую на уровне, доступном для обычной механической шлифовки (например, в качестве многоострийного электрода используют сетку из металлической проволоки с размером ячейки от долей мм до нескольких мм, имеющих толщину проволоки, наиболее близкой к 1/10 от размера ячейки, или используют набор металлических ножовочных полотен и т.п. с соответствующими размерами неоднородностей и расстояниями между ними), причем высоковольтный потенциал ко всем неоднородностям одного электрода подводят одновременно с точностью до времени порядка τ_FU, для чего используют, например, одномерные или двумерные разветвления высоковольтного ввода с одинаковой длиной ветвей и одинаковым количеством разветвлений до всех точек контакта с высоковольтным электродом.

6. Способ по п.2, отличающийся тем, что для увеличения общего числа быстрых электронов, ионов, атомов и - в соответствующей газовой смеси - химически активных частиц, а также увеличения мощности рентгеновского и оптического излучения, генерируемых газовым разрядом с убегающими электронами, режим разряда (1) обеспечивают одновременно для множества металлических катодов, вставленных внутрь цилиндрических или конусоидальных диэлектрических трубок или каналов в диэлектрике (экранированных или не экранированных, имеющих обычно длину L порядка (2-3) d и диаметр отверстия на выходе порядка (0.1-0.2) d), располагающихся вдоль направления приложенного внешнего электрического поля (или под острым углом к нему) и имеющих с противоположной от катодов (выходной) стороны трубок (каналов) один общий анод или набор анодов, расположенных в том же газе на характерном расстоянии порядка d от выходного конца трубок (каналов), причем для получения максимально однородных в поперечном сечении пучков ионизирующего излучения расстояние между осями диэлектрических трубок (каналов) делают, по - возможности, минимальным, а для получения максимальной плотности мощности ионизирующего излучения в районе анода последний делают минимально возможной площади и, обычно, полусферической формы, а направление трубок (каналов) выбирают так, чтобы выходные отверстия трубок (каналов) были направлены (сконцентрированы) на центр анода и находились примерно на одном расстоянии от него, причем высоковольтный потенциал ко всем трубкам (каналам) подводят одновременно с точностью до времени порядка

, для чего используют, например, одномерные или двумерные разветвления высоковольтного ввода с одинаковой длиной ветвей и одинаковым количеством разветвлений до всех катодов.

7. Способ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что для увеличения плотности тока пучка быстрых электронов (а также - концентрации озона и/или других химически активных молекул) в межэлектродной и заанодной области разряда за счет компенсации возможного спада объемного заряда положительных ионов (образующихся в следе прохождения быстрых электронов по газу), приводящего к обратному току в газе, геометрию электродов выбирают такой, чтобы по направлению от катода к аноду общее поперечное сечение пучков быстрых электронов постоянно и достаточно существенно уменьшалось, для чего, например, выбирают соответствующее соотношение размеров и/или формы анода и катода (включая геометрию электродов сферического, цилиндрического и т.п. типов), а также расстояния между ними, либо используют для постепенного сужения пучка быстрых электронов соответствующую конфигурацию внешнего продольного магнитного поля с увеличивающейся по направлению к аноду напряженностью.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что при недостаточно малой τ_U, ограниченной характеристиками используемого источника высоковольтного питания, для необходимой в этом случае задержки развития стримерного объемного разряда увеличивают τ_d в соответствии с условием (3), для чего в межэлектродном промежутке устанавливают либо два диэлектрических барьера (пропускающих практически без поглощения достаточно высокоэнергетичные убегающие электроны, и поглощающие практически полностью медленные электроны) - один вплотную к аноду, а второй на расстоянии порядка (1-2)·Δ от катода, либо - один более толстый барьер на расстоянии более 2·Δ от катода, на обратной стороне которого нанесена или прикреплена анодная сетка.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что при недостаточно короткой длительности τ_U для выполнения условия (1) заземленный электрод (располагающийся на расстоянии d от высоковольтного) отсоединяют от земли, оставляя его под плавающим потенциалом, а на расстоянии D от него располагают дополнительный электрод, который заземляют, причем расстояние D и форму дополнительного электрода (иногда также и форму электрода под плавающим потенциалом и соответствующих изоляторов) выбирают такими, чтобы при приложении напряжения U к высоковольтному электроду сначала произошел разряд между дополнительным электродом и электродом с плавающим потенциалом, обостряющий и укорачивающий разность потенциалов между высоковольтным электродом и электродом под плавающим потенциалом до необходимой величины τ_U, а затем при этой разности потенциалов произошел разряд в условиях, удовлетворяющих соотношению (1).

9. Способ по п.7, отличающийся тем, что для управления пучком (пучками) быстрых электронов в разрядном промежутке устанавливают дополнительно несколько заземленных или находящихся под плавающим потенциалом электродов и диэлектрических барьеров, обеспечивающих последовательное ускорение и/или

поворот пучков быстрых электронов, генерируемых первоначально в одной из приэлектродных областей разряда.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что с целью увеличения длительности и плотности тока электронного пучка дополнительные электроды делают с использованием газонепроницаемых пленок и/или фольг, и располагают их так, чтобы можно было поддерживать разное давление газа в различных секциях межэлектродного пространства, обеспечивая тем самым оптимальные условия для генерации быстрых электронов в одном из таких промежутков и усиление тока пучка быстрых электронов за счет лавинного размножения электронов в газе в следующем (следующих) промежутке (промежутках).

11. Способ по п.10, отличающийся тем, что спектр энергии и плотность тока электронов, генерируемых (размножаемых) в газонаполненном межэлектродном промежутке, изменяют при необходимости непрерывно или периодически путем изменения состава и давления газовой смеси, заключенной в герметично отделенной секции указанного межэлектродного промежутка, оптимизируя таким образом, указанные выше параметры пучка для более эффективного того или иного его применения.

12. Способ по п.7, отличающийся тем, что для регулирования спектра энергий быстрых электронов, получаемых в межэлектродном промежутке или в заанодной области разряда, используют диэлектрические барьеры (хотя бы частично прозрачные для убегающих электронов с достаточно большой энергией) различной поглощающей способности, устанавливаемые в различных областях разрядного промежутка, в которых требуется регулировать спектр энергий убегающих электронов.

13. Способ по п.7, отличающийся тем, что для увеличения мгновенной мощности рентгеновского излучения, выходящего за пределы зоны разряда максимально изотропно (точечный источник рентгеновского излучения), пучок быстрых электронов генерируют с максимально возможной площади катода и направляют на металлический антикатод меньшего размера (обычно с размером рабочей части 1-2 мм), а для изменения энергии квантов (длины волны) рентгеновского излучения от антикатода наряду с изменением амплитуды прикладываемого напряжения (что возможно, очевидно, в пределах, ограниченных областью существования данного разряда с учетом нелинейного влияния напряжения на ток электронного пучка, следовательно, - на мощность рентгеновского излучения) используют изменение расстояния катод - антикатод или степени концентрации пучка быстрых электронов на этом расстоянии (что, как правило, много проще, чем изменение напряжения в разрядном промежутке), а также - размещение в межэлектродном промежутке прозрачных для достаточно высокоэнергетичных убегающих электронов диэлектрических барьеров, меняющих энергию быстрых электронов в пучке, а соответственно, - распределение энергии квантов тормозного излучения на антикатоде.

14. Способ по п.7, отличающийся тем, что для увеличения мгновенной мощности рентгеновского излучения, выходящего за пределы зоны разряда генерируют два или более встречных пучков быстрых электронов, один из которых имеет начало на катоде с площадью одного порядка или меньшей, чем площадь анодов, с которых начинаются другие пучки, причем все пучки сходятся в области положительного пространственного заряда, который генерируется первым пучком в межэлектродном промежутке, а для изменения энергии квантов (длины волны) рентгеновского излучения (образуемого в процессе торможения пучков электронов в электрическом поле в области спада пространственного распределения положительных ионов в межэлектродном промежутке) наряду с изменением амплитуды прикладываемого напряжения (что возможно, очевидно, в пределах, ограниченных областью существования данного разряда с учетом нелинейного влияния напряжения на ток электронного пучка, следовательно, - на мощность рентгеновского излучения) используют изменение расстояния катод - анод или степени концентрации пучка быстрых электронов на этом расстоянии (что, как правило, много проще, чем изменение напряжения в разрядном промежутке), а также - размещение в межэлектродном промежутке прозрачных для достаточно высокоэнергетичных убегающих электронов диэлектрических барьеров, меняющих энергию быстрых электронов в пучке, а соответственно, - распределение энергии квантов тормозного излучения в межэлектродном промежутке.

15. Способ по п.7, отличающийся тем, что для создания высокой концентрации озона и окислов азота (или других химически активных или возбужденных атомов или молекул) в каком-либо замкнутом воздушном (газовом) объеме (например, для возбуждения лазеров на химически агрессивных эксимерных средах, или для получения высокой и управляемой концентрации химически активных газов в замкнутых объемах проведения соответствующих химических реакций, имеющих, в общем случае, в этом замкнутом объеме состав газов, отличный от состава газа в остальном межэлектродном промежутке), хотя бы часть последнего, имеющую стенки (окна) из диэлектрической пленки, частично прозрачной для достаточно высокоэнергетичных электронов, помещают в межэлектродный интервал разряда, удовлетворяющего условию (1), с помощью быстрых электронов генерируют внутри этой части газового объема соответствующие химически активные или возбужденные молекулы до создания необходимых концентраций в импульсно-периодическом режиме и, при необходимости, прокачивают газовую смесь из области, расположенной внутри межэлектродного промежутка в остальную область замкнутого газового объема, причем все конструктивные элементы высоковольтного генератора находятся вне зоны действия химически активных и агрессивных газов.

16. Способ по п.7, отличающийся тем, что для создания высокой концентрации озона и окислов азота (или других химически активных или возбужденных атомов или молекул) в каком-либо газовом объеме с доступом через малое (по сравнению с размерами электродов) входное отверстие или расположенном за окном из диэлектрической пленки (металлической фольги), хотя бы частично прозрачной для электронов с достаточно высокой энергией, высоковольтный (в случае одноэлектродного коронного разряда) или низковольтный электрод разряда с режимом работы типа (1) располагают в воздухе в максимальной близости от входного отверстия или окна упомянутого выше газового объема и производят серию импульсов разряда для создания и поддержания необходимой концентрации химически активных или возбужденных атомов и молекул в этом газовом объеме за счет убегающих электронов, УФ и рентгеновского излучения, проникающего в указанный газовый объем через входное отверстие или окно.