RU2581618C1 - Method of generating beams of fast electrons in gas-filled space and device therefor (versions) - Google Patents
Method of generating beams of fast electrons in gas-filled space and device therefor (versions) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2581618C1 RU2581618C1 RU2014140012/07A RU2014140012A RU2581618C1 RU 2581618 C1 RU2581618 C1 RU 2581618C1 RU 2014140012/07 A RU2014140012/07 A RU 2014140012/07A RU 2014140012 A RU2014140012 A RU 2014140012A RU 2581618 C1 RU2581618 C1 RU 2581618C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gas
- electrons
- cathode
- anode
- dielectric tube
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Particle Accelerators (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области сильноточной электроники и может быть использовано для генерации пучков быстрых электронов с широким диапазоном энергии электронов от единиц до тысяч килоэлектронвольт. Ускорители электронов, основанные на этом изобретении, могут быть использованы для обработки, модификации и стерилизации материалов.The invention relates to the field of high-current electronics and can be used to generate beams of fast electrons with a wide range of electron energy from units to thousands of kiloelectron-volts. Electron accelerators based on this invention can be used to process, modify and sterilize materials.
Известен способ и устройство генерации пучков быстрых электронов, в которых эмитируемые с катода электроны ускоряются в вакуумном промежутке под действием импульсного электрического поля, создаваемого внешним высоковольтным напряжением, приложенным между анодом и катодом вакуумного ускорительного промежутка. Сформированный электронный пучок выводят из ускорительного промежутка сквозь герметичную металлическую фольгу, являющуюся анодом ускорительного промежутка [1]. A known method and device for generating beams of fast electrons in which the electrons emitted from the cathode are accelerated in the vacuum gap under the action of a pulsed electric field created by an external high-voltage voltage applied between the anode and cathode of the vacuum accelerator gap. The formed electron beam is removed from the accelerator gap through a sealed metal foil, which is the anode of the accelerator gap [1].
Основным недостатком данного способа является малый срок службы металлической фольги, разделяющей вакуумный и газовый объемы, которая разрушается под действием 106-107 импульсов электронного пучка, что приводит к нарушению герметичности ускорительного промежутка и прекращению функционирования устройства в целом. Поскольку момент разрушения фольги носит стохастический характер, то это приводит к резкому нарушению технологического цикла облучения объектов в момент прорыва фольги и, соответственно, повышению вероятности выхода бракованной продукции.The main disadvantage of this method is the short service life of the metal foil separating the vacuum and gas volumes, which is destroyed under the action of 10 6 to 10 7 pulses of the electron beam, resulting in a breach of containment of the acceleration period and the termination of operation of the device as a whole. Since the moment of destruction of the foil is stochastic in nature, this leads to a sharp violation of the technological cycle of irradiation of objects at the time of breaking the foil and, accordingly, increasing the probability of the output of defective products.
Известен также способ и устройство генерации импульсных пучков электронов высоких энергий с использованием эффекта убегания электронов, в котором отсутствует металлическая фольга для вывода электронов. Под действием импульсного электрического поля, создаваемого внешним высоковольтным напряжением, приложенным к электродам газонаполненного ускорительного промежутка, в нем зажигается газовый разряд, на стадии формирования которого в области усиленного поля около катода специальной формы часть электронов уходит в режим убегания. Далее эти электроны ускоряются в оставшейся части промежутка [2]. There is also a known method and device for generating pulsed high-energy electron beams using the electron runaway effect, in which there is no metal foil for electron output. Under the influence of a pulsed electric field created by an external high-voltage voltage applied to the electrodes of the gas-filled accelerator gap, a gas discharge is ignited in it, at the stage of formation of which, in the region of the amplified field near the specially shaped cathode, some of the electrons escape. Further, these electrons are accelerated in the remaining part of the gap [2].
Недостатком данного способа является то, что из-за низкой эффективности перехода электронов в режим убегания ток быстрых электронов оказывается более чем на два порядка меньше по сравнению с током из вакуумного ускорительного промежутка при одной и той же форме и амплитуде импульса ускоряющего напряжения. Это приводит к существенному сужению области применения таких электронных пучков.The disadvantage of this method is that, due to the low efficiency of the transition of electrons to the runaway mode, the current of fast electrons is more than two orders of magnitude lower than the current from the vacuum accelerator gap with the same shape and amplitude of the accelerating voltage pulse. This leads to a significant narrowing of the field of application of such electron beams.
Прототипом является способ, предложенный нами ранее [3]. В данном способе используется ускорительный промежуток, заполненный газом (воздухом) атмосферного давления, в котором путем локального кратковременного разогрева создается область с пониженной концентрацией газа, соприкасающаяся с катодом. Импульс ускоряющего напряжения подается после восстановления в этой области электрической прочности газа, но не позже времени релаксации его температуры во избежание электрического пробоя. Для создания локальной области пониженной концентрации газа может использоваться либо лазерный факел, либо дополнительная электрическая искра. Эффективность перехода электронов в режим убегания в области пониженной концентрации газа существенно возрастает, что приводит к увеличению тока быстрых электронов более чем на порядок по сравнению с аналогом при тех же экспериментальных условиях. The prototype is the method proposed by us earlier [3]. In this method, an accelerator gap filled with atmospheric pressure gas (air) is used, in which, by local short-term heating, a region with a reduced gas concentration is created in contact with the cathode. The accelerating voltage pulse is supplied after the gas is restored in this region of electric strength, but no later than the relaxation time of its temperature in order to avoid electrical breakdown. Either a laser torch or an additional electric spark can be used to create a local region of reduced gas concentration. The efficiency of the transition of electrons to the runaway mode in the region of lowered gas concentration increases significantly, which leads to an increase in the current of fast electrons by more than an order of magnitude compared to the analog under the same experimental conditions.
Недостатком данного способа является низкая плотность, величина тока и расходимость пучка ускоренных электронов, что обусловлено их электростатическим расталкиванием и рассеянием на нейтральных молекулах газа. Из-за этого часть электронов уходит из горячей зоны (зоны пониженного давления), не успев перейти в режим непрерывного ускорения.The disadvantage of this method is the low density, current magnitude and divergence of the beam of accelerated electrons, due to their electrostatic repulsion and scattering by neutral gas molecules. Because of this, part of the electrons leaves the hot zone (zone of reduced pressure), not having time to switch to the continuous acceleration mode.
Технической задачей предлагаемого изобретения является создание способа генерации пучков быстрых электронов в газонаполненном промежутке, при котором достигается повышение плотности и величины тока, уменьшение расходимости пучка быстрых электронов.The technical task of the invention is to provide a method for generating beams of fast electrons in a gas-filled gap, in which an increase in the density and magnitude of the current, reducing the divergence of the beam of fast electrons.
Для решения данной задачи предложен способ генерации пучков быстрых электронов в газонаполненном промежутке, при котором происходит ускорение электронов и их вывод через анод в газонаполненном диоде с межэлектродным расстоянием L. Способ включает создание в межэлектродном промежутке области с пониженной концентрацией газа и подачу на этот промежуток ускоряющего импульса напряжения после восстановления электрической прочности газа, но не позже времени релаксации его температуры. Способ отличается от прототипа тем, что в области с пониженной концентрацией газа создается электрический потенциал, препятствующий рассеиванию ускоренных электронов, что позволяет повысить плотность и величину тока ускоренных электронов.To solve this problem, a method is proposed for generating fast electron beams in a gas-filled gap, at which the electrons are accelerated and output through the anode in a gas-filled diode with interelectrode distance L. The method includes creating a region with a low gas concentration in the interelectrode gap and applying an accelerating pulse to this gap voltage after restoration of the electric strength of the gas, but not later than the relaxation time of its temperature. The method differs from the prototype in that an electric potential is created in the region with a low concentration of gas, which prevents the scattering of accelerated electrons, which makes it possible to increase the density and current value of accelerated electrons.
Для устройства, реализующего данный способ, прототипом является устройство для генерации импульсных пучков быстрых электронов в воздушном промежутке атмосферного давления [4]. Прототип представляет собой газонаполненный диод атмосферного давления. Анод в виде тонкой металлической фольги, закрепленной на заземленном металлическом цилиндре, который является корпусом разрядной камеры, катод в виде сплошного цилиндра с плоской поверхностью эмиссии. Вокруг всей боковой поверхности катода, а также перекрывая часть разрядного промежутка, расположена цилиндрическая кварцевая трубка, имеющая с катодом жесткий механический контакт. На катод подается импульсный потенциал с источника импульсного напряжения. Под действием напряжения между катодом и анодом начинается эмиссия электронов с катода. Часть электронов приобретает энергию, достаточную для перехода в режим непрерывного ускорения, и формирует импульсный электронный пучок, который выводится из разрядной камеры через анод. Цилиндрическая кварцевая трубка при этом препятствует уходу электронов на стенки разрядной камеры, а также выравнивает силовые линии электрического поля вдоль оси катод-анод, что уменьшает расходимость электронного пучка, увеличивая его плотность.For a device that implements this method, the prototype is a device for generating pulsed beams of fast electrons in the air gap of atmospheric pressure [4]. The prototype is a gas-filled atmospheric pressure diode. The anode is in the form of a thin metal foil mounted on a grounded metal cylinder, which is the body of the discharge chamber, and the cathode is in the form of a continuous cylinder with a flat emission surface. Around the entire lateral surface of the cathode, as well as blocking part of the discharge gap, there is a cylindrical quartz tube having a hard mechanical contact with the cathode. The pulse potential is supplied to the cathode from a pulse voltage source. Under the action of voltage between the cathode and the anode, electron emission from the cathode begins. Part of the electrons acquires enough energy to go into continuous acceleration, and forms a pulsed electron beam, which is removed from the discharge chamber through the anode. In this case, a cylindrical quartz tube prevents the escape of electrons to the walls of the discharge chamber, and also aligns the electric field lines along the cathode-anode axis, which reduces the divergence of the electron beam, increasing its density.
Недостатком этого устройства является малая величина тока ускоренных электронов, вышедших из газонаполненного ускорительного промежутка. В частности, при заполнении ускорительного промежутка газом атмосферного давления ток электронного пучка почти на два порядка меньше по сравнению с током из вакуумного ускорительного промежутка при одной и той же форме и амплитуде импульсов ускоряющего напряжения.The disadvantage of this device is the small magnitude of the current of accelerated electrons emerging from the gas-filled accelerator gap. In particular, when the accelerator gap is filled with atmospheric pressure gas, the electron beam current is almost two orders of magnitude lower than the current from the vacuum accelerator gap with the same shape and amplitude of the accelerating voltage pulses.
Предлагается устройство для реализации способа, которое включает катод, на который подается потенциал и заземленный анод, через который выводится электронный пучок, где вокруг катода, перекрывая часть межэлектродного промежутка, расположен диэлектрик, при этом межэлектродное расстояние определяется величиной приведенной напряженности электрического поля E/N (где E - напряженность электрического поля, N - концентрация молекул газа), достаточной для перехода электронов, эмитированных с катода, в режим непрерывного ускорения, а расстояние h от эмитирующей поверхности катода до края, обращенного к аноду, ограничено неравенством 0<h<A, где A - расстояние между краем трубки и анодом, при котором происходит искровой разряд. A device is proposed for implementing the method, which includes a cathode to which a potential is supplied and a grounded anode through which an electron beam is output, where a dielectric is located around the cathode, blocking part of the interelectrode gap, while the interelectrode distance is determined by the reduced electric field strength E / N ( where E is the electric field strength, N is the concentration of gas molecules), sufficient for the transition of electrons emitted from the cathode to continuous acceleration, and the distance h from the emitting surface of the cathode to the edge facing the anode, it is limited by the inequality 0 <h <A, where A is the distance between the edge of the tube and the anode at which spark discharge occurs.
Для уменьшения рассеяния, увеличения плотности и величины тока ускоренных электронов состав устройства включает в себя блок нагрева газа в диэлектрической трубке. В качестве такого блока служит, например, дополнительный высоковольтный генератор, создающий искровой канал в диэлектрической трубке, или лазер, создающий лазерный факел.To reduce scattering, increase the density and current magnitude of accelerated electrons, the composition of the device includes a block for heating gas in a dielectric tube. As such a block is, for example, an additional high-voltage generator that creates a spark channel in a dielectric tube, or a laser that creates a laser torch.
На фиг. 1(a) приведена блок-схема предлагаемого устройства, где 1 - катод, 2 - диэлектрическая трубка, 3 - проходной высоковольтный изолятор, 4 - камера - обратный токопровод, 5 - анод - окно для вывода электронного пучка, 6 - проходной изолятор, 7 - основной высоковольтный генератор для ускорения электронов, 8 - дополнительный импульсный генератор с разделительным трансформатором для нагрева газа в трубке 2, 9 - дополнительный электрод.In FIG. 1 (a) shows a block diagram of the proposed device, where 1 is the cathode, 2 is a dielectric tube, 3 is a high-voltage insulator through passage, 4 is a return current lead chamber, 5 is an anode for an electron beam output window, 6 is an insulator through passage, 7 - the main high-voltage generator for accelerating electrons, 8 - an additional pulse generator with an isolation transformer for heating gas in the
На электроды 1 и 9 от генератора 8 подается напряжение и между ними формируется искра, которая нагревает газовый объем в трубке 2. Давление в ней повышается (p=nkT, где n - концентрация нейтронов, k - постоянная Больцмана, T - температура). После выравнивания давления в диэлектрической трубке с давлением в камере основная часть молекул газа уйдет из нее, поскольку температура в канале искры T>104 К. После восстановления электрической прочности газа в диэлектрической трубке 2, но не позже времени релаксации температуры в ней на электроды 1, 5 подается ускоряющее напряжение от основного высоковольтного импульсного генератора 7.Voltage is applied to the
Эмитируемые с катода электроны попадают в разреженную зону и набирают между столкновениями с нейтральными молекулами энергию, большую, чем теряют, т.к. амплитуда приложенного напряжения U обеспечивает выполнение условия:Electrons emitted from the cathode fall into the rarefied zone and gain more energy between collisions with neutral molecules than they lose, because the amplitude of the applied voltage U provides the following conditions:
где U - напряжение на электродах 1, 5, L - расстояние между электродами 1 и 5, N - концентрация нейтральных молекул в трубке 2, Ecr - критическая напряженность поля, при котором достигается равенство энергии, теряемой и приобретаемой электроном между столкновениями. where U is the voltage at electrodes 1, 5, L is the distance between electrodes 1 and 5, N is the concentration of neutral molecules in
При своем движении от катода к аноду часть электронов будет оседать на стенках диэлектрической трубки, создавая электрический потенциал, препятствующий движению электронов в радиальном направлении. Благодаря этому электроны будут ускоряться в разреженной (горячей) области на всей ее длине. Поскольку длину диэлектрической трубки, а значит, и длину горячей области можно менять в широком диапазоне, то количество электронов, перешедших в режим убегания, повысится, и их энергия на выходе диэлектрической трубки возрастет. Поскольку значительную часть (h) межэлектродного промежутка (L) электроны будут проходить практически параллельно оси трубки вследствие действия указанного выше электрического потенциала, пучок ускоренных электронов на выходе из диэлектрической трубки будет обладать существенно меньшей расходимостью и большей плотностью. Сформированный и ускоренный в диэлектрической трубке пучок далее будет ускоряться в пространстве между диэлектрической трубкой и прозрачным анодом и через него уходит на объект воздействия.When moving from the cathode to the anode, some of the electrons will settle on the walls of the dielectric tube, creating an electrical potential that impedes the movement of electrons in the radial direction. Due to this, the electrons will accelerate in a rarefied (hot) region along its entire length. Since the length of the dielectric tube, and hence the length of the hot region, can be changed over a wide range, the number of electrons that have switched to runaway mode will increase, and their energy at the output of the dielectric tube will increase. Since a significant part (h) of the interelectrode gap (L), the electrons will pass almost parallel to the axis of the tube due to the action of the above electric potential, the beam of accelerated electrons at the exit from the dielectric tube will have a significantly lower divergence and higher density. The beam formed and accelerated in the dielectric tube will then be accelerated in the space between the dielectric tube and the transparent anode and through it goes to the target.
Расстояние h от катода до края трубки, обращенного к катоду, выбирается из условия 0<h<A, где A - расстояние, на котором между краем трубки и анодом происходит искровой пробой. Электроны, покидая диэлектрическую трубку, имеют энергию, многократно превышающую энергию, необходимую для сохранения режима убегания в холодном более плотном газе (воздухе), и, следовательно, продолжают ускоряться. Однако, находясь вне диэлектрической трубки, электроны могут расходиться в радиальном направлении. При этом расходимость электронного пучка будет увеличиваться с расстоянием. Таким образом, изменение расстояния L-h позволяет регулировать плотность тока ускоренных электронов на аноде 5.The distance h from the cathode to the edge of the tube facing the cathode is selected from the condition 0 <h <A, where A is the distance at which spark breakdown occurs between the edge of the tube and the anode. When electrons leave the dielectric tube, they have an energy many times higher than the energy necessary to maintain the runaway regime in a cold, denser gas (air), and therefore continue to accelerate. However, being outside the dielectric tube, the electrons can diverge in the radial direction. In this case, the divergence of the electron beam will increase with distance. Thus, changing the distance L-h allows you to adjust the current density of accelerated electrons on the anode 5.
На фиг. 1(б) приведена блок-схема, согласно которой область с пониженной концентрацией газа (горячий канал) создается импульсным лазером 10. Излучение лазера 10 подается на катод 1, где оно создает лазерный факел, который нагревает газ в трубке до температуры (3-4)·103 К. При выравнивании давления в трубке и камере основная часть молекул газа уходит из трубки и создается зона с пониженной концентрацией нейтралов. После восстановления за счет рекомбинации электронов и ионов электрической прочности промежутка между электродами 1 и 5 на него подается напряжение от основного импульсного генератора 7. Далее процессы развиваются аналогично предыдущему случаю.In FIG. Figure 1 (b) shows a block diagram according to which a region with a low gas concentration (hot channel) is created by a
Положительный эффект предлагаемого способа и устройства для его реализации достигается благодаря последовательности следующих процессов. Покидая катод, электроны попадают в созданную лазерным факелом или искровым каналом горячую, а следовательно, разреженную область. Часть из них оседает на стенках диэлектрической трубки, расположенной вокруг катода, и формирует электростатический отталкивающий потенциал. Поэтому электроны не могут выйти из горячей области на всей длине h. Электрическое поле и концентрация газа в диэлектрической трубке выбираются такими, что электроны на длине свободного пробега набирают энергию значительно большую, чем теряют. Поэтому в ней формируется пучок быстрых электронов. Поскольку длина диэлектрической трубки может меняться в диапазоне отсутствия пробоя и быть достаточно большой, то значительная часть электронов будет переходить в режим непрерывного ускорения. Кроме того, они не будут расходиться и пройдут всю длину горячей области. Таким образом, на выходе из диэлектрической трубки пучок электронов будет обладать достаточно высокой энергией и направленностью практически параллельно оси трубки. Это существенно уменьшит рассеяние и расталкивание ускоренных электронов на их дальнейшем пути к аноду в плотном (холодном) газе. Поэтому плотность тока электронного пучка, прошедшего через анод, будет высокой.The positive effect of the proposed method and device for its implementation is achieved due to the sequence of the following processes. When leaving the cathode, the electrons enter the hot, and therefore rarefied, region created by the laser torch or the spark channel. Some of them settle on the walls of a dielectric tube located around the cathode and form an electrostatic repulsive potential. Therefore, electrons cannot leave the hot region over the entire length h. The electric field and gas concentration in the dielectric tube are chosen such that the electrons gain much more energy than they lose over the mean free path. Therefore, a beam of fast electrons is formed in it. Since the length of the dielectric tube can vary in the absence of breakdown and be quite large, a significant part of the electrons will go into continuous acceleration mode. In addition, they will not diverge and will cover the entire length of the hot area. Thus, at the exit from the dielectric tube, the electron beam will have a sufficiently high energy and directivity almost parallel to the axis of the tube. This will significantly reduce the scattering and repulsion of accelerated electrons on their further path to the anode in a dense (cold) gas. Therefore, the current density of the electron beam passing through the anode will be high.
Для доказательства работоспособности предлагаемого способа и устройства для его реализации проводился численный эксперимент.To prove the operability of the proposed method and device for its implementation, a numerical experiment was conducted.
Моделировалась передающая линия длиной Lл=3 см, на один конец которой подавался импульс напряжения с длительностью фронта 100 пс. На другом конце линии располагался диод с межэлектродным расстоянием L=3-10 мм, наполненный азотом при комнатной температуре и атмосферном давлении. Выбор длины передающей линии существенно большей по сравнению с межэлектродным расстоянием диода был обусловлен тем, чтобы время прохождения волны по линии было больше времени протекания интересующих нас процессов в диоде. Это позволило избежать излишних усложнений, вызываемых волновыми процессами в линии. Радиусы катода (RC) и анода (RA) равнялись соответственно RC=5 мм и RA=10 мм.A transmission line with a length of Ll = 3 cm was simulated, at one end of which a voltage pulse with a front duration of 100 ps was applied. At the other end of the line was a diode with an interelectrode distance of L = 3-10 mm, filled with nitrogen at room temperature and atmospheric pressure. The choice of the length of the transmission line is significantly larger compared to the interelectrode distance of the diode due to the fact that the wave propagation time along the line was longer than the time of the processes of interest to us in the diode. This avoided unnecessary complications caused by wave processes in the line. The radii of the cathode (R C ) and anode (R A ) were respectively R C = 5 mm and R A = 10 mm.
Начиная с катода, вдоль оси линии располагалась нагретая область газа с температурой 3000 K, числовая плотность нейтральных частиц в которой была соответственно на порядок ниже, чем в остальном промежутке. Длина горячей области (h) равнялась 7 мм, а ее радиус (Rhot) соответственно 0,8 мм.Starting from the cathode, along the axis of the line was a heated region of gas with a temperature of 3000 K, the numerical density of neutral particles in which was correspondingly lower by an order of magnitude than in the rest of the gap. The length of the hot region (h) was 7 mm, and its radius (R hot ), respectively, 0.8 mm.
Горячая область ограничивалась диэлектрической трубкой с внутренним радиусом, равным Rhot, и внешним радиусом Rtube=1 мм.The hot region was limited by a dielectric tube with an inner radius equal to R hot and an outer radius R tube = 1 mm.
В процессе моделирования был использован известный программный пакет XOOPIC. В основе пакета лежит метод крупных частиц, который используется для моделирования движения заряженных частиц под действием внешних и собственных электромагнитных полей. Для расчета электромагнитных полей в этом коде используется система уравнений Максвелла, решаемая методом конечных разностей. Для моделирования взаимодействия заряженных частиц с газом используется метод Монте-Карло (модель индивидуальных столкновений). В программе на каждом шаге по времени для всего ансамбля частиц с учетом их функции распределения при помощи генератора случайных чисел и базы данных по сечениям процессов разыгрывается тот или иной тип взаимодействия: упругое рассеяние, возбуждение или ионизация. Пакет использует двумерное осесимметричное приближение.In the modeling process, the well-known XOOPIC software package was used. The package is based on the method of large particles, which is used to model the movement of charged particles under the action of external and intrinsic electromagnetic fields. To calculate the electromagnetic fields in this code, the Maxwell system of equations is used, which is solved by the finite difference method. To simulate the interaction of charged particles with gas, the Monte Carlo method (individual collision model) is used. In the program at each time step for the entire ensemble of particles, taking into account their distribution function, one or another type of interaction is played out using a random number generator and a database of process sections: elastic scattering, excitation, or ionization. The package uses a two-dimensional axisymmetric approximation.
Тестирование работы кода проводилось на ряде задач сильноточной электроники и физики газового разряда, имеющих аналитическое либо приближенное решение. К таким задачам относились: (коаксиальный диод с магнитной изоляцией, виртуальный катод, «сжатое» состояние электронного пучка в двухсекционном канале транспортировки, развитие электронной лавины в газе при умеренных приведенных полях). Кроме того, данный код был использован для решения задачи о формировании пучка убегающих электронов в диоде с сильно неоднородным электрическим полем, заполненном азотом атмосферного давления. Результаты моделирования с использованием кода XOOPIC хорошо согласуются как с результатами моделирования с использованием узконаправленного кода TRACKS [5], так и с результатами экспериментов [2].The code operation was tested on a number of high-current electronics and gas-discharge physics problems that have an analytical or approximate solution. Such tasks included: (coaxial diode with magnetic isolation, virtual cathode, “squeezed” state of an electron beam in a two-section transportation channel, development of an electron avalanche in a gas at moderate reduced fields). In addition, this code was used to solve the problem of forming a runaway electron beam in a diode with a highly inhomogeneous electric field filled with atmospheric pressure nitrogen. The simulation results using the XOOPIC code are in good agreement with both the simulation results using the narrowly targeted TRACKS code [5] and the experimental results [2].
Результаты расчетов показали, что импульс тока пучка быстрых электронов для вышеуказанных условий имеет амплитуду 244 А, длительность 50 пс. Функция распределения быстрых электронов по энергиям имеет максимум 170 кэВ и ширину на полувысоте 120 кэВ.The calculation results showed that the current pulse of the fast electron beam for the above conditions has an amplitude of 244 A and a duration of 50 ps. The energy distribution function of fast electrons has a maximum of 170 keV and a width at half maximum of 120 keV.
На фиг. 2 представлено радиальное распределение электронов, прошедших через плоскость анода. Распределение построено в единицах поверхностной плотности заряда (Кулон/см2). Применительно к быстрым электронам данная величина имеет следующий физический смысл. Дело в том, что для визуализации пучка быстрых электронов удобно использовать люминофор. Поскольку длительность импульса тока убегающих электронов (<100 пс) много меньше характерного времени высвечивания люминофора (1-1000 мкс), то интенсивность свечения люминофора будет возрастающей функцией от поверхностной плотности попавшего на него заряда. Распределение медленных электронов приведено на этой фигуре в тех же единицах для удобства сравнения. Вертикальной чертой на графике обозначен радиус внутренней поверхности трубки, равный радиусу горячего канала. Кривая а - распределение медленных электронов, кривая б - суммарное распределение быстрых электронов, кривая в - распределение электронов в энергетическом диапазоне 5-100 кэВ, кривая г - то же для диапазона 100-250 кэВ. Из фигуры видно, что функция плотности заряда быстрых электронов спадает от центра к периферии, то есть след электронного пучка на мишени будет иметь форму круга радиусом 0,5-1,0 мм в зависимости от чувствительности люминофора. Максимальная плотность тока пучка (в центре) равна 3750 А/см2, средняя (по диаметру горячей области) равна 1230 А/см2, что вполне сопоставимо с плотностями токов, получаемых на ускорителях на основе вакуумного диода.In FIG. 2 shows the radial distribution of electrons passing through the plane of the anode. The distribution is plotted in units of surface charge density (Coulomb / cm 2 ). As applied to fast electrons, this quantity has the following physical meaning. The fact is that it is convenient to use a phosphor to visualize a beam of fast electrons. Since the duration of the runaway current pulse (<100 ps) is much shorter than the characteristic luminescence time of the phosphor (1-1000 μs), the luminosity of the phosphor will be an increasing function of the surface density of the charge incident on it. The distribution of slow electrons is shown in the same units in this figure for ease of comparison. The vertical bar on the graph indicates the radius of the inner surface of the tube equal to the radius of the hot channel. Curve a is the distribution of slow electrons, curve b is the total distribution of fast electrons, curve c is the distribution of electrons in the energy range of 5-100 keV, curve d is the same for the range of 100-250 keV. It can be seen from the figure that the function of the charge density of fast electrons decreases from the center to the periphery, that is, the trace of the electron beam on the target will have a circle shape with a radius of 0.5-1.0 mm, depending on the sensitivity of the phosphor. The maximum beam current density (in the center) is 3750 A / cm 2 , the average (in the diameter of the hot region) is 1230 A / cm 2 , which is quite comparable with the current densities obtained on accelerators based on a vacuum diode.
В случае отсутствия диэлектрической трубки (прототип) плотности токов, согласно нашим расчетам получаются на 2 порядка меньше.In the absence of a dielectric tube (prototype) current densities, according to our calculations, are 2 orders of magnitude lower.
Источники информацииInformation sources
1. М.И. Яландин, В.Г. Шпак. Мощные малогабаритные импульсно-периодические генераторы субнаносекундного диапазона. // ПТЭ, 2001, №3, с. 5-31.1. M.I. Yalandin, V.G. Shpak. Powerful small-sized pulse-periodic generators of the subnanosecond range. // PTE, 2001, No. 3, p. 5-31.
2. Г.А. Месяц, С.Д. Коровин, К.А. Шарыпов, С.А. Шунайлов, М.И. Яландин. О динамике формирования субнаносекундного электронного пучка в газовом и вакуумном диоде. // Письма в ЖТФ, 2006, Т. 32, вып. 1, с. 35-44.2. G.A. Month, S.D. Korovin, K.A. Sharypov, S.A. Shunailov, M.I. Yalandin. On the dynamics of the formation of a subnanosecond electron beam in a gas and vacuum diode. // Letters to the ZhTF, 2006, V. 32, no. 1, p. 35-44.
3. Лисенков В.В., Мастюгин Д.С., Осипов В.В., Соломонов В.И. / Способ генерации сильноточных пучков быстрых электронов в газонаполненном ускорительном промежутке. // Патент РФ №2317660 от 20 февраля 2008.3. Lisenkov VV, Mastyugin DS, Osipov VV, Solomonov VI / Method for generating high-current beams of fast electrons in a gas-filled accelerator gap. // RF patent No. 2317660 of February 20, 2008.
4. Соломонов В.И., Мастюгин Д.С. Устройство для генерации импульсных пучков быстрых электронов в воздушном промежутке атмосферного давления. //Патент РФ №2376731 от 31 марта 2008 г.4. Solomonov V.I., Mastyugin D.S. A device for generating pulsed beams of fast electrons in the air gap of atmospheric pressure. // RF patent No. 2376731 dated March 31, 2008
5. Беломытцев С.Я., Романченко И.В., Рыжов В.В., Шкляев В.А. О начальной стадии пробоя газового промежутка в неоднородном поле. // Письма в ЖТФ, 2008, Т. 34, вып. 9, с. 10-16.5. Belomyttsev S.Ya., Romanchenko IV, Ryzhov VV, Shklyaev V.A. About the initial stage of the breakdown of a gas gap in an inhomogeneous field. // Letters to the ZhTF, 2008, T. 34, no. 9, p. 10-16.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014140012/07A RU2581618C1 (en) | 2014-10-02 | 2014-10-02 | Method of generating beams of fast electrons in gas-filled space and device therefor (versions) |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014140012/07A RU2581618C1 (en) | 2014-10-02 | 2014-10-02 | Method of generating beams of fast electrons in gas-filled space and device therefor (versions) |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2581618C1 true RU2581618C1 (en) | 2016-04-20 |
Family
ID=56194903
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014140012/07A RU2581618C1 (en) | 2014-10-02 | 2014-10-02 | Method of generating beams of fast electrons in gas-filled space and device therefor (versions) |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2581618C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112368038A (en) * | 2018-04-09 | 2021-02-12 | 梅迪杰特有限公司 | In-liquid discharging micro-jet drug delivery device |
| CN117313619A (en) * | 2023-10-09 | 2023-12-29 | 北京航空航天大学 | Analysis method for influence of frequency on atmospheric pressure low-frequency spark discharge characteristics |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1367640A (en) * | 2002-03-08 | 2002-09-04 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | Method for producing femtosecond megavolt energy electronic beam by using strong laser |
| JP2003007498A (en) * | 2001-06-19 | 2003-01-10 | Kawasaki Heavy Ind Ltd | Electron beam excitation plasma generating equipment |
| RU2317660C1 (en) * | 2006-05-11 | 2008-02-20 | Институт электрофизики Уральского отделения РАН | Method for generation of heavy-current bunches of electrons in gas-filled acceleration space |
| RU2376731C1 (en) * | 2008-03-31 | 2009-12-20 | Институт электрофизики Уральского отделения РАН | Device for generating pulsed beams of high-speed electrons in air gap at atmospheric pressure |
-
2014
- 2014-10-02 RU RU2014140012/07A patent/RU2581618C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003007498A (en) * | 2001-06-19 | 2003-01-10 | Kawasaki Heavy Ind Ltd | Electron beam excitation plasma generating equipment |
| CN1367640A (en) * | 2002-03-08 | 2002-09-04 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | Method for producing femtosecond megavolt energy electronic beam by using strong laser |
| RU2317660C1 (en) * | 2006-05-11 | 2008-02-20 | Институт электрофизики Уральского отделения РАН | Method for generation of heavy-current bunches of electrons in gas-filled acceleration space |
| RU2376731C1 (en) * | 2008-03-31 | 2009-12-20 | Институт электрофизики Уральского отделения РАН | Device for generating pulsed beams of high-speed electrons in air gap at atmospheric pressure |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112368038A (en) * | 2018-04-09 | 2021-02-12 | 梅迪杰特有限公司 | In-liquid discharging micro-jet drug delivery device |
| CN117313619A (en) * | 2023-10-09 | 2023-12-29 | 北京航空航天大学 | Analysis method for influence of frequency on atmospheric pressure low-frequency spark discharge characteristics |
| CN117313619B (en) * | 2023-10-09 | 2024-04-19 | 北京航空航天大学 | Analysis method for influence of frequency on atmospheric pressure low-frequency spark discharge characteristics |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Tarasenko et al. | High-power subnanosecond beams of runaway electrons generated in dense gases | |
| Gushenets et al. | Electrostatic plasma lens focusing of an intense electron beam in an electron source with a vacuum arc plasma cathode | |
| Mesyats et al. | An ultra-short dense paraxial bunch of sub-relativistic runaway electrons | |
| Ryabchikov et al. | Plasma-immersion formation of high-intensity gaseous ion beams | |
| US7579578B2 (en) | Advanced multipurpose pseudospark switch having a hollow cathode with a planar spiral electrode and an aperture | |
| Pal | Investigation of electron beam generation in pseudospark discharge-based plasma cathode electron source | |
| RU2581618C1 (en) | Method of generating beams of fast electrons in gas-filled space and device therefor (versions) | |
| Kostyrya et al. | X-ray radiation due to nanosecond volume discharges in air under atmospheric pressure | |
| Sharma et al. | Design of multigap pseudospark discharge-based plasma cathode electron source at different configurations of electrode apertures | |
| Tarasenko et al. | On the mechanism of subnanosecond electron beam formation in gas-filled diodes | |
| Pal | Particle-in-cell simulation study of PCE-gun for different hollow cathode aperture sizes | |
| Bogandkevich et al. | Effect of the Distance of Plasma–Beam Interaction on the Oscillation Regimes in a Plasma Relativistic Microwave Oscillator | |
| Choi et al. | Characteristics of diode perveance and vircator output under various anode-cathode gap distances | |
| Lisenkov et al. | Numerical investigation of the parameters of a runaway electron beam generated in a gas-filled atmospheric-pressure hot-channel diode | |
| Baksht et al. | Experimental and numerical investigation of two mechanisms underlying runaway electron beam formation | |
| US3270243A (en) | Apparatus for the establishment and acceleration of a narrow high current beam | |
| Donets et al. | Formation of longitudinal nonlinear structures in the electron cloud of an electron-string ion source | |
| Lamba et al. | Characterization of Pseudospark Discharge-Based Multigap Plasma Cathode Electron Source for the Generation of Short Pulsed Energetic Electron Beam | |
| Ernyleva et al. | Microwave pulse shortening in plasma relativistic high-current microwave electronics | |
| Gushenets et al. | Effect of the enhanced breakdown strength in plasma-filled optical system of electron beam formation | |
| Pal et al. | Simulation and experimental studies of 20 kV/200 A PCE-Gun for discharge current analysis | |
| Vinnikov et al. | Influence of the energy parameters of the primary circuit on the current characteristics of the DIN-2K accelerator | |
| Loza et al. | Increase in the average radiation power of a plasma relativistic microwave generator | |
| Nagao et al. | High-power microwave generation by double-anode virtual cathode oscillator | |
| Shishavan et al. | Quantification of prominent factors on the time lag and jitter of the spark-gaps |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20191003 |