RU2113033C1

RU2113033C1 - Electron beam generation process

Info

Publication number: RU2113033C1
Application number: RU97102904A
Authority: RU
Inventors: И.М. Куцык; Л.П. Бабич; А.Л. Мозговой
Original assignee: Министерство Российской Федерации по атомной энергии
Priority date: 1997-02-20
Filing date: 1997-02-20
Publication date: 1998-06-10

Abstract

FIELD: generation of accelerated charge particle beams for quantum electronics, plasma chemistry, etc. SUBSTANCE: space pulse discharge is initiated in gas-filled gap between electrodes. Electron beam is shaped by avalanche breeding of initial electron beam in discharge at pressure close to atmospheric value with discharge current chosen to ensure compensation for space charge formed in discharge during development of electron avalanches; electric field strength is chosen to exceed threshold value for developing avalanches of running electrons. EFFECT: improved quantity and energy of beam electrons, lifetime of beam, and pressure at which beam- shaping discharge occurs.

Description

Изобретение относится к области генерирования пучков заряженных частиц и может быть использовано в квантовой электронике, плазмохимии и т.п. The invention relates to the field of generation of charged particle beams and can be used in quantum electronics, plasma chemistry, etc.

Известен способ получения электронного пучка в газовом разряде [1]. Способ заключается в том, что в газонаполненном промежутке между электродами осуществляют объемный импульсный высоковольтный разряд при атмосферном давлении, в котором формируется пучок убегающих электронов (УЭ). Пучок возникает в прикатодной области разряда. Этот тип разряда реализуется в режиме высоких перенапряжений, т. е. разрядное напряжение в промежутке во много раз превышает напряжение статического пробоя. Электрическое поле в разрядном промежутке неоднородно и значительно большее вблизи катода. В прикатодной области отношение напряженности поля к давлению газа E/P сравнимо с максимумом потерь энергии (≈ 270 кВ/(см•атм) для воздуха при нормальных условиях). В таком поле происходит переход низкоэнергетических электронов разряда в режим убегания, в результате чего они, ускоряясь, покидают прикатодную область, и происходит формирование пучка высокоэнергетических электронов. A known method of producing an electron beam in a gas discharge [1]. The method consists in the fact that in a gas-filled gap between the electrodes a volume pulsed high-voltage discharge is carried out at atmospheric pressure, in which a beam of runaway electrons (RE) is formed. The beam arises in the cathode region of the discharge. This type of discharge is realized in the mode of high overvoltages, i.e., the discharge voltage in the gap is many times higher than the static breakdown voltage. The electric field in the discharge gap is inhomogeneous and much larger near the cathode. In the cathode region, the ratio of field strength to gas pressure E / P is comparable to the maximum energy loss (≈ 270 kV / (cm • atm) for air under normal conditions). In such a field, the low-energy electrons of the discharge transition to the runaway mode, as a result of which they accelerate and leave the cathode region, and a beam of high-energy electrons is formed.

Недостатком известного способа получения электронного пучка является то, что формирование пучка высокоэнергетичных электронов происходит за счет убегания низкоэнергетичных электронов газоразрядной плазмы в условиях больших значений E/P или (E/N), где P - давление, а N - плотность газа. Поскольку разряд происходит при атмосферном давлении, то большое значение E/P достигается за счет высоких перенапряжений. Это требует высоких разрядных напряжений U, длительность импульсного разряда ограничена наносекундами, а длина разрядного промежутка d - несколькими сантиметрами. A disadvantage of the known method of producing an electron beam is that the formation of a beam of high-energy electrons occurs due to the runaway of low-energy electrons in a gas-discharge plasma under conditions of high values of E / P or (E / N), where P is the pressure and N is the gas density. Since the discharge occurs at atmospheric pressure, a large value of E / P is achieved due to high overvoltages. This requires high discharge voltages U, the duration of a pulsed discharge is limited to nanoseconds, and the length of the discharge gap d is limited to a few centimeters.

Наиболее близким к заявляемому является способ получения электронного пучка [2]. Способ заключается в том, что в газонаполненном промежутке между электродами осуществляют объемный импульсный высоковольтный разряд с формированием в нем электронного пучка. Разряд осуществляется при давлении порядка 500 Па при более чем двукратном перенапряжении. Для формирования электронного пучка за счет затягивания перехода объемного разряда в сильноточную стадию во время разрядного импульса направляют на катод световой поток от внешнего источника. Closest to the claimed is a method of producing an electron beam [2]. The method consists in the fact that in a gas-filled gap between the electrodes a volume pulsed high-voltage discharge is carried out with the formation of an electron beam in it. The discharge is carried out at a pressure of the order of 500 Pa at more than double overvoltage. To form an electron beam by delaying the transition of the volume discharge to the high-current stage during the discharge pulse, the light flux from an external source is directed to the cathode.

Недостатками способа по прототипу являются ограниченная энергия электронов и короткое время существования пучка (≈ 40 нс) при высоком уровне вклада энергии в электрический разряд. Ограничение по энергии электронов связано с применением разряда пониженного давления, который существует слишком малое время в промежутке сантиметрового диапазона. The disadvantages of the prototype method are the limited electron energy and the short lifetime of the beam (≈ 40 ns) with a high level of energy contribution to the electric discharge. The electron energy limitation is associated with the use of a low pressure discharge, which exists for too short a time in the range of a centimeter range.

При создании данного изобретения решалась задача генерации высокоэнергетичного (сотни кэВ) электронного пучка. When creating this invention, the task of generating a high-energy (hundreds of keV) electron beam was solved.

Техническим результатом при решении данной задачи является увеличение энергии электронов, времени существования пучка (т.е. длительности импульса) и давления, при котором происходит разряд. The technical result in solving this problem is to increase the electron energy, the beam lifetime (i.e., the pulse duration) and the pressure at which the discharge occurs.

Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным способом получения электронного пучка, заключающимся в том, что в газонаполненном промежутке между электродами осуществляют объемный импульсный высоковольтный разряд с формированием в нем электронного пучка, новым является то, что формирование электронного пучка осуществляется путем лавинного размножения начального электронного пучка в разряде при давлении порядка атмосферного с разрядным током, значение которого выбирают из условия обеспечения компенсации объемного заряда, возникающего в разряде при развитии электронных лавин, а напряженность электрического поля выбирают из условия превышения порогового значения, необходимого для развития лавин убегающих электронов. The specified technical result is achieved in that, in comparison with the known method of producing an electron beam, which consists in the fact that in the gas-filled gap between the electrodes a volume pulsed high-voltage discharge is carried out with the formation of an electron beam in it, it is new that the electron beam is formed by avalanche propagation the initial electron beam in the discharge at a pressure of the order of atmospheric with a discharge current, the value of which is selected from the condition for providing compensation tion space charge arising in the discharge in the development of electronic avalanches, and the electric field intensity is selected from the condition of exceeding the threshold value required for the development of avalanches runaway electrons.

Способ основан на теории возникновения лавины убегающих электронов (ЛУЭ) в достаточно сильных электрических полях. Механизм возникновения ЛУЭ предложен А. В. Гуревичем и Русселем-Дюпре (Kinetic theory of runaway air breakdown. R. A. Roussel-Dupre, A.V. Gurevich, T. Tunnell, G.H. Milikh - in: Physical Review E, vol. 49, N 3, 1994, p. 2257-2271) для объяснения атмосферных электрических разрядов во время грозы. В работах этих авторов рассмотрена возможность развития ЛУЭ в поле грозового облака. Этот же механизм образования ЛЭУ положен в основу заявляемого способа получения высокоэнергетичных электронов. Предполагается, что начальные убегающие электроды образуются либо в результате процессов в самом разряде, либо инжектируются в разрядную область извне. В электрическом поле разряда происходит лавинное размножение начальных убегающих электронов и формируется пучок высокоэнергетичных электронов. Напряженность поля и длина разрядного промежутка должны быть достаточно велики для развития лавины. The method is based on the theory of the occurrence of an avalanche of runaway electrons (LUE) in sufficiently strong electric fields. The mechanism of LUE occurrence was proposed by A.V. Gurevich and Russel-Dupre (Kinetic theory of runaway air breakdown. RA Roussel-Dupre, AV Gurevich, T. Tunnell, GH Milikh - in: Physical Review E, vol. 49, N 3, 1994 , p. 2257-2271) to explain atmospheric electrical discharges during a thunderstorm. In the works of these authors, the possibility of the development of LUE in the field of a thundercloud is considered. The same mechanism of formation of the LEU is the basis of the proposed method for producing high-energy electrons. It is assumed that the initial runaway electrodes are formed either as a result of processes in the discharge itself or are injected into the discharge region from the outside. An avalanche multiplication of the initial runaway electrons occurs in the electric field of the discharge and a beam of high-energy electrons is formed. The field strength and the length of the discharge gap should be large enough for the development of an avalanche.

Однако сам по себе механизм образования ЛУЭ во внешнем электрическом поле не достаточен для формирования электронного пучка. Так как убегающие электроны покидают разрядную область, то в разряде накапливается положительный объемный заряд, который препятствует развитию лавины. В отличие от работ Руссель-Дюпре и Гуревича в заявляемом способе существенно то, что ЛУЭ развивается не просто в электрическом поле, а в газовом разряде. Протекание газоразрядного тока способно компенсировать объемный заряд. В поле без разряда компенсации не происходит и заряд накапливается, прекращая процесс ускорения высокоэнергетичного компонента вторичных электронов. Разрядный ток I_р должен быть достаточно большим для компенсации объемного заряда, а именно, I_р ≥ I_к - I_о, где I_к - конечный, а I_о - начальный ток пучка.However, the mechanism of LUE formation in an external electric field per se is not sufficient to form an electron beam. Since runaway electrons leave the discharge region, a positive space charge accumulates in the discharge, which prevents the development of an avalanche. In contrast to the works of Roussel-Dupre and Gurevich, in the claimed method it is essential that the LUE develops not just in an electric field, but in a gas discharge. The flow of gas discharge current can compensate for the space charge. In the field without a discharge, compensation does not occur and the charge accumulates, stopping the acceleration of the high-energy component of secondary electrons. The discharge current I _p must be large enough to compensate for the space charge, namely, I _p ≥ I _k - I _o , where I _k is the final one, and I _o is the initial beam current.

В области усиления тока убегающих электронов должно быть обеспечено протекание разрядного тока, способного компенсировать разность тока убегающих электронов на выходе и входе области усиления и тем самым предотвращающего образование объемного заряда. Энергия, получаемая пучком электронов от электрического поля, идет в основном на увеличение числа убегающих электронов в пучке, т. е. усиление тока пучка, а при обычных ускорительных процессах получаемая энергия идет на увеличение энергии электронов пучка. In the region of amplification of the current of the runaway electrons, a discharge current must be provided that can compensate for the difference in the current of the runaway electrons at the output and input of the amplification region and thereby prevent the formation of a space charge. The energy received by the electron beam from the electric field is mainly used to increase the number of runaway electrons in the beam, i.e., to increase the beam current, and in ordinary accelerator processes, the energy received is used to increase the energy of the beam electrons.

Напряженность электрического поля E определяется соотношением E/P = δ (E/P)_кр. Здесь P - давление газа в разрядном промежутке, а δ - коэффициент > 2. Величина e(E/P)_кр равна минимальному значению силы сопротивления, действующей на убегающие электроны в данном газе со стороны атомов и молекул. Минимум реализуется в области энергий электронов в окрестности 1 МэВ и является фундаментальной атомарной характеристикой данного газа. Коэффициент δ характеризует величину "перенапряжения" относительно минимума. Падение напряжения в области усиления U = E • L, где L - длина области усиления тока убегающих электронов, должно превосходить

/е, где

- средняя энергия электронов пучка, e - заряд электрона (для воздуха

= 0,6-1,5 МэВ). Время генерации пучка ограничено длительностью импульса инжектированных электронов и(или) развитием неустойчивости объемного разряда.The electric field E is determined by the ratio E / P = δ (E / P) _cr . Here P is the gas pressure in the discharge gap, and δ is the coefficient> 2. The value of e (E / P) _cr is equal to the minimum value of the resistance force acting on the runaway electrons in the gas by atoms and molecules. The minimum is realized in the region of electron energies in the vicinity of 1 MeV and is a fundamental atomic characteristic of this gas. Coefficient δ characterizes the value of "overvoltage" relative to the minimum. The voltage drop in the amplification region U = E • L, where L is the length of the amplification region of the runaway electron current, should exceed

/ e, where

is the average electron energy of the beam, e is the electron charge (for air

= 0.6-1.5 MeV). The beam generation time is limited by the pulse duration of the injected electrons and (or) the development of the instability of the volume discharge.

Коэффициент усиления тока пучка η = I_к/I_о должен быть η ≥ 2 для компенсации рассеяния электронов.The beam current gain η = I _k / I _о should be η ≥ 2 to compensate for electron scattering.

Величины η, P, E, L связаны между собой соотношением η = exp(L/l_e(E, P)), где l_e - длина, на которой пучок усиливается в e = 2,72 раз. Величина l_e определяется давлением, составом газа и средней напряженностью поля в области ускорения.The quantities η, P, E, L are interconnected by the relation η = exp (L / l _e (E, P)), where l _e is the length over which the beam is amplified e = 2.72 times. The value of l _{e is} determined by pressure, gas composition, and average field strength in the acceleration region.

Перечисленные требования позволяют определить технические параметры, реализующие предложенный способ получения электронного пучка. Его осуществляют, например, следующим образом. These requirements allow you to determine the technical parameters that implement the proposed method for producing an electron beam. It is carried out, for example, as follows.

В газонаполненном, например, воздушном промежутке длиной L порядка 1 м между электродами при атмосферном давлении осуществляют объемный импульсный разряд. Запитку осуществляют от генератора импульсного напряжения ≈ 1-2 МэВ с длительностью импульса 1 мкс. Электроды могут быть плоскопараллельными сетками или сплошными пластинами. Начальный электронный пучок инжектируют в газонаполненный промежуток, например, от импульсного ускорителя электронов. Пусть между электродами реализуется перенапряжение δ = 5. Так как в воздухе при атмосферном давлении критическая величина напряженности поля равна E_кр = 2,2 кВ/см, то этой величине δ соответствует напряженность поля E = δE_кр= 11 кВ/см. Предположим, что энергия электронов в пучке, инжектируемом в промежуток, равна 500 кэВ. На основании дифференциального сечения ионизации можно показать, что при δ = 5 этой энергии соответствует l_e = 1,5 м. Выберем расстояние между электродами L = l_e. Тогда ожидаемое усиление пучка η = 2,72, а напряжение, которое необходимо реализовать на промежутке, равно EL = 1,65 МВ. При заданных параметрах и начальном токе пучка I_о ≈ 1 кА выходной ток I_к≈ ηI₀≈ 2,72 кА. Следовательно, генератор высокого напряжения должен обеспечить разрядный ток I_р > I_к - I_о ≈ 1,72 кА. В данном конкретном примере средняя энергия электронов в пучке составляет сотни кэВ, а время генерации пучка ограничено скорее всего длительностью импульса инжектированных электронов.In a gas-filled, for example, air gap of length L of the order of 1 m between the electrodes at atmospheric pressure, a volume pulsed discharge is performed. Power is supplied from a pulse voltage generator ≈ 1-2 MeV with a pulse duration of 1 μs. The electrodes can be plane-parallel grids or solid plates. An initial electron beam is injected into a gas-filled gap, for example, from a pulsed electron accelerator. Let an overvoltage δ = 5 be realized between the electrodes. Since the critical value of the field strength is equal to E _cr = 2.2 kV / cm in air at atmospheric pressure, then this field δ corresponds to the field strength E = δE _cr = 11 kV / cm. Suppose that the electron energy in the beam injected into the gap is 500 keV. Based on the differential ionization cross section, it can be shown that for δ = 5 this energy corresponds to l _e = 1.5 m. We choose the distance between the electrodes L = l _e . Then the expected beam gain is η = 2.72, and the voltage that needs to be realized in the gap is EL = 1.65 MV. Given the parameters and the initial beam current I _about ≈ 1 kA, the output current I _k ≈ ηI ₀ ≈ 2.72 kA. Therefore, the high voltage generator must provide a discharge current I _p > I _k - I _about ≈ 1.72 kA. In this particular example, the average electron energy in the beam is hundreds of keV, and the beam generation time is most likely limited by the pulse duration of the injected electrons.

Таким образом, по сравнению с прототипом в заявляемом способе получения электронного пучка энергия пучка достигает сотен кэВ, в то время как у прототипа она ограничена и составляет 3,5-4 кэВ. Увеличено время существования пучка с 40 нс до микросекунд и более, а давление газа в разрядном промежутке с 500 Па до 10⁵ Па (1 атм).Thus, compared with the prototype in the inventive method for producing an electron beam, the beam energy reaches hundreds of keV, while the prototype has a limited energy of 3.5-4 keV. The beam lifetime was increased from 40 ns to microseconds and more, and the gas pressure in the discharge gap from 500 Pa to 10 ⁵ Pa (1 atm).

Для повышения эффективности возможно секционирование разрядного промежутка, а также положение внешнего магнитного поля, направленного вдоль разрядного промежутка. Формируемый пучок может либо выводиться из разряда, либо использоваться в самом разрядном промежутке (например, для возбуждения активной среды газового лазера или инициирования плазмохимических процессов). To increase the efficiency, sectioning of the discharge gap is possible, as well as the position of an external magnetic field directed along the discharge gap. The generated beam can either be removed from the discharge or used in the discharge gap itself (for example, to excite the active medium of a gas laser or initiate plasma-chemical processes).

Claims

A method of obtaining an electron beam, which consists in the fact that in the gas-filled gap between the electrodes a volume pulsed high-voltage discharge is carried out with the formation of an electron beam in it, characterized in that the beam is formed by the avalanche multiplication of the initial electron beam in the discharge at a pressure of the order of atmospheric with a discharge current, the value of which is selected from the condition of providing compensation for the positive space charge arising in the discharge as a result of the development of electronic avin, and the electric field is selected from the condition of exceeding the threshold value necessary for the development of avalanches of runaway electrons.