Способ формирования микросекундных сильноточных электронных пучков

СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ МИКРОСЕКУНДНЫХ СИЛЬНОТОЧНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ по авт. св. N N 1478891, отличающийся тем, что, с целью повышения плотности тока пучка, длительность фронта t_ф (с) импульса ускоряющего напряжения выбирают из условия
t_ф< ,
где e = 1,6 10^-19 - заряд электрона, Кл;
_о = 8,85 10^-12 - диэлектрическая постоянная, Ф/м;
L - средний заряд иона анодной плазмы;
M - масса иона анодной плазмы, кГ;
n_а - концентрация анодной плазмы, м^-3.

Изобретение относится к сильноточной эмиссионной электронике.
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 ₊ = (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 ₊^-1/2.
Недостатком этого способа является относительно невысокая плотность тока пучка, ограниченная эмиссионной способностью предварительно создаваемой анодной плазмы.
Целью изобретения является повышение плотности тока пучка.
Поставленная цель достигается тем, что длительность фронта импульса ускоряющего напряжения выбирают из условия t_ф< , (1) где Z - средний заряд иона анодной плазмы;
М - масса иона анодной массы, кГ;
n_a - концентрация анодной плазмы, м^-3;
_о - диэлектрическая постоянная, Ф/м;
е - заряд электрона, Кл.
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), j_e= j , (2) где m - масса электрона; j_i - 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).
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 t_ф < t_п (где t_п - 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.
Время пролета t_п оценивается (снизу), как t_п= , (3) где V_icp - среднее за время пролета значение скорости иона;
U - ускоряющее напряжение к концу фронта импульса (t = t_ф);
d_сл - толщина двойного слоя.
Минимальное значение достигается при ступенчатом ((t_ф 0 ) импульсе напряжения. В этом случае n_а = соnst, и решение управления Пуассона для слоя можно записать как d_сл= . (4)
Из формул (3) и (4) получаем выражение для времени пролета t_п . (5)
Нестационарность ДС обеспечивается при t_ф < t_п. В результате получаем выражение (1)
t_ф< .
Эксперименты показали также, что при выполнении условия (1) плотность тока пучка превышает расчетную по (2) не только на нестационарной стадии t t_ф, 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.
Поэтому проникновение электрического поля "вглубь" анодной плазмы обеспечивает увеличение j_i, а следовательно, и плотности тока пучка электронов согласно (2).
На фиг. 1 приведена схема питания электронной пушки, позволяющая варьировать длительность фронта импульса ускоряющего напряжения (С_н - емкостный накопитель; ФЛ - формирующая линия. Л₁ и Л₃ - передающие линии; Р₁ и Р₂ - разрядники; R_g - плазмонаполненный диод, С¹ - емкость коррекции фронта импульса напряжения); на фиг. 2 приведены зависимости отношения измеренной плотности тока пучка j_изм к рассчитанной j_р по (2) от величины t_ф для двух моментов токоотбора (t = t_ф и t = 7t_ф). Момент времени t - 7t_ф соответствует квазистационарной стадии токоотбора, момент t = t_ф - нестационарной стадии при выполнении условия (1).
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 U_p2 U₂ + U₁. Разрядник Р₂ быстро (за 3-5 нс) пробивается и емкость С_н через линии Л₁-Л₃ и ФЛ разряжается на нагрузку R_g (плазмонаполненный диод).
Варьирование величины t_ф осуществлялось изменением величины емкости С¹. В данном случае t_ф 3 C , где - волновое сопротивление линий Л₁-Л₃ и ФЛ. При C 3 10^-10 nФ величина t_ф (определилась параметрами разрядника Р₂. Предварительно (в отсутствие пучка) зондовым и масс-спектрическим методами измерялись параметры анодной плазмы: j_i, n_a, Z и М.
При этом оказалось, что плотность ионного тока насыщения анодной плазмы j_i 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).
Концентрация анодной плазмы в непосредственной близости к катоду составляла n_a = 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).
Полученные данные позволили рассчитать величину, стоящую в правой части неравенства (1), и определить величину t_ф < <4,2 10^-9 c, необходимую для реализации предлагаемого способа.
Полученные данные позволили также построить расчетные осциллограммы j_p(t) согласно соотношению (2) и сравнить их с экспериментально наблюдаемыми при различных значениях t_ф (изменение t_ф осуществлялось специальными схемными изменениями в системе питания электронной пушки).
Результаты расчетов и обработки экспериментальных данных отражены в зависимостях, приведенных на фиг. 2, из которых видно, что наибольшее увеличение плотности тока пучка достигается при t_ф = 4 нс для обоих моментов времени, т. е. при выполнении условия (1).
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.
Иваненков Г. В. Физика плазмы, 1982, т. 8, в. 6, с. 1184-1191.
Авторское свидетельство СССР N 1478891, кл. Н 01 J 9/02, 1987.
Изобретение относится к сильноточной эмиссионной электронике. Цель изобретения - повышение плотности тока пучка. В способе формирования микросекундных сильноточных электронных пучков условие выбора длительности фронта импульса ускоряющего напряжения определяется математическим соотношением , где Z - средний заряд иона анодной плазмы; M - масса иона анодной плазмы; n_a - концентрация анодной плазмы; _o - диэлектрическая постоянная; e - заряд электрона. 2 ил.