Месяц Г.А. Импульсная энергетика и электроника

Подождите немного. Документ загружается.

490 Глава

24.

Электронные пучки

большого

сечения

Е= 1 МэВ, I = 200 кА, у » 130-260 А/см

, = 20 не. В этих условиях коаксиаль-

ный диод имеет преимущество перед плоским: в сильных электрических полях,

необходимых для получения большого тока, пучок существенно неоднороден из-за

дискретности эмиссионных центров на поверхности катода; при радиальной ин-

жекции эта неоднородность компенсируется.

При создании диодов с большой средней мощностью, работающих с частотой

повторения импульсов 50-100 Гц, следует решить ряд задач: увеличить ресурс

работы катода, уменьшить потери пучка в фольге и опорной решетке, обеспечить

вакуум в диоде в рабочем диапазоне. Кроме того, необходимо иметь полную ин-

формацию о характерном времени деионизации, т.е. восстановлении изоляцион-

ных свойств ускоряющего промежутка. Испытания лезвийных катодов из тантало-

вой фольги толщиной 7,6 мкм показали [48], что катод длиной 25 см, с которого

отбирали ток 12 А длительностью 10 мкс при напряжении 255 кВ, в состоянии ра-

ботать с частотой до 1000 Гц. При этом высота лезвия уменьшалась на 1 мм после

приложения 210

импульсов.

Потери электронного пучка на опорной структуре минимальны при нормаль-

ном падении электронов, поскольку в этом случае они определяются проницаемо-

стью фольги и оптической прозрачностью подложки. Такую ситуацию удается

реализовать при использовании фокусирующих электродов в диоде. При этом су-

щественно уменьшается расходимость электронного потока и достигается его од-

нородность. Такой источник применяли для получения пучка размером 15><200 см

при плотности тока 0,5 А/см

, длительности импульса 3 мкс, энергии электронов

250 кэВ [15]. Катод источника в виде лезвия из танталовой фольги укреплен на

цилиндре из нержавеющей стали диаметром 8 см. Фокусирующие электроды вы-

полнены в виде цилиндров и укреплены на отдельном изоляторе. Даже при ис-

пользовании одного эмитирующего лезвия фокусирующие электроды позволяют

получить неоднородность пучка не более ±10%.

Рис. 24.17. Схема шестисторонней накачки лазера: 1 - импульсный генератор; 2 - диоды

ускорителя электронов; 3 - окно для ввода пучка; 4 - лазерная камера, накачиваемая пучка-

ми электронов

$ 24.6

Схемы

и конструкции

ускорителей

пучками большого сечения

491

Серьезным ограничением при повышении частоты следования импульсов явля-

ется нагревание фольги электронным пучком. Этот процесс существенно зависит

от длительности подъема и спада ускоряющего напряжения, поскольку максималь-

ный вклад в нагрев дают электроны низкой энергии. Для борьбы с этим эффектом

применяют параллельную цепь пикового напряжения, во время нарастания напря-

жения дающую импульс удвоенной амплитуды [27], что приводит к укорочению

фронта импульса.

Под действием бомбардировки электронным пучком фольги, опорной структу-

ры и фокусирующих электродов выделяется значительное количество десорбируе-

мого газа, причем возможны электронно-стимулированная и тепловая десорбция.

В этих условиях доминирует первый вид десорбции и газовыделение может дости-

гать трех молекул на электрон. Поскольку рабочее давление частотного диода на-

ходится в диапазоне 6,5-10~

— 6,5

• 10~

Па, время образования одного монослоя газа

составляет Ю

-3

с. Серьезной трудностью частотного режима является необходи-

мость постоянной высокой скорости откачки для удаления газа из ускоряющего

промежутка. Как показано в [27], под действием бомбардировки электронным пуч-

ком средней мощностью 8 кВт с поперечным сечением 375 см

и плотностью тока

50 мА/см

с фольги и подложки выделяется 4 10

молекул в 1 с. При этом давле-

ние в объеме составляет 6,5-10~

Па при скорости откачки 1400 л/с.

Для питания диодов, работающих в частотном режиме, часто используют гене-

раторы высоковольтных импульсов с повышающими трансформаторами. Эти уст-

ройства с формирующим элементом в первичной цепи разработаны для отдельных

диапазонов импеданса, длительностей импульсов и выходных напряжений, по-

скольку используются в радиолокации для модуляции импульсов мощных клис-

тронов. Существенное ограничение такой схемы состоит в высокой индуктивности

рассеяния высоковольтного импульсного трансформатора. Ускоритель с генерато-

ром высоковольтных импульсов, импульсный трансформатор Тесла которого со-

вмещен с промежуточным накопителем энергии в виде коаксиальной формирую-

щей линии, соединенной со вторичной обмоткой, описан в [49]. При ускоряющем

напряжении 400 кВ, токе 8 кА и длительности импульса 25 не средняя мощность

пучка составляет 5,5 кВт. Частота повторения импульсов 100 Гц, размер пучка на

выходе 10x100 см.

Источник электронов триодного типа, описанный в [27], формирует радиально

расходящийся на угол 360° пучок и имеет следующие параметры: ускоряющее на-

пряжение 300-500 кВ, плотность тока 20-200 мА/см

, длительность импульса

1-5 мкс, площадь пучка 12 м

(длина 2,8, диаметр 1,35 м). О разработке аналогич-

ного электронного источника с площадью выходного окна 9,3 м

, предназначенно-

го для лазерного С0

-усилителя, который использован в программе по инерциаль-

ному термоядерному синтезу, сообщалось в [50]. Здесь кольцевой объем газа иони-

зируется радиально расходящимися пучками электронов с энергией 500 кэВ,

плотностью тока 50-100 мА/см

и длительностью импульса 5 мкс. Катодная сис-

тема состоит из 48 лезвий танталовой фольги длиной 0,76 м, собранных в 12 рядов

по четыре лезвия. Против каждого лезвия находится закрытое фольгой окно разме-

ром 0,76x0,25 м. При экспериментальном исследовании макета обнаружены два

эффекта: существенная вторичная эмиссия с сетки, вызывающая потерю управле-

ния током, и возникновение неконтролируемых пробоев между сеткой и катодом.

492 Глава

24.

Электронные пучки

большого

сечения

Характерное время формирования этих пробоев около 3 мкс. Авторам работы [50]

удалось улучшить ситуацию, применив силиконовое масло для подавления вто-

ричной эмиссии сетки и специальную методику тренировки электродов источника

для увеличения электрической прочности ускоряющего промежутка.

Дополнительную информацию об ускорителях для получения мощных импульс-

ных пучков большого сечения можно получить из монографий [15, 51]. Кроме того,

мы еще вернемся к этой проблеме в главе 29 при рассмотрении накачки мощных

газовых лазеров.

Литература к главе 24

1. Беломытцев С.Я., Коровин С.Д., Месяц

Г.А.

Эффект экранировки в сильноточных дио-

дах // Письма в ЖТФ. 1980. Т. 6, вып. 18. С 1089-1092.

2. Коваль Б.А., Месяц Г.А., Озур

Г.Е.

и др. Взрывоэмиссионные наносекундные источники

низкоэнергетичных электронов для поверхностной обработки материалов // Сильно-

точные импульсные электронные пучки в технологии. Сб. ст. / Отв. ред. Г.А. Месяц.

Новосибирск: Наука, 1983. С. 26-39.

3. Мезуа(з

О.А.

Ехр1о81Уе Е1ес1гоп Епиззюп. Ека1еппЬиг§: ШО-ргезз, 1998.

4. Баженов Г.П., Месяц Г.А., Проскуровский Д.И. Исследование структуры электронных

потоков, эмиттируемых из катодных факелов // Изв. вузов. Физика. 1970. № 8. С. 87-90.

5. Беломытцев С.Я., Ильин В.П., Литвинов Е.А., Месяц Г.А. К эффекту «мазков» при

взрывной эмиссии электронов // Разработка и применение источников интенсивных

электронных пучков: Сб. ст. / Отв. ред. Г.А. Месяц. Новосибирск: Наука, 1976. С. 93-95.

6. Бугаев С.П., Кассиров Г.С., Ковальчук Б.М., Месяц

Г.А.

Получение интенсивных микро-

секундных релятивистских электронных пучков // Письма в ЖЭТФ. 1973. Т. 18, вып. 2.

С. 82-85.

7. Беломытцев С.Я., Месяц

Г.А.

Структура электронных пучков в сильноточных диодах //

РЭ. 1987. Т. 32, вып. 8. С. 1569-1583.

ШпзкеЪмоой

В.В. Ехр1оз1уе Епшзюп Сайюёе Р1азтаз т Ыепзе Ке1а1шз1ю Е1ес1гоп

Веат Бюёез / МаззасЬизейз ЫзйШе оГТесЬпо1о§у. СатЬпё§е (Мазз.), 1984.

9. Проскуровский Д.И., Янкелевич Е.Б. Взрывоэмиссионный катод большой площади //

Сильноточные импульсные электронные пучки в технологии / Отв. ред. Г.А. Месяц.

Новосибирск: Наука, 1983. С. 21-26.

10. Белкин Н.В., Александрович Э.Г. Двухэлектродная трубка для генерации наносекундных

импульсов рентгеновского излучения // ПТЭ. 1972. № 2. С. 196-197.

11.

Вгас11еу

Ь.Р, Рагкег К.К., МагПп Т.Н. СЬагас1епз1юз оГ КеЫмзйс ПеШ Епиззюп НщЪ

Сштет БЫез // Ргос. V18БЕ1У. Рогпап, 1972. Р.159-164.

12. Ыпк Ж Т., 01аМег

Ж.С.

Вогоп СагЬМе Сайюёе

й>г

СоЫ Епшзюп Туре Сайюёе оПЪе ПеШ

Епшзюп Туре. Ра1. 3484643 ША. 1969.

13.

КозосНа

Ь.А., Шере К.В. Е1ес1гоп-Веат 8оигсез Гог Ритрт§ Ьаг§е АрегШге КгР Ьазегз //

Ризюп

ТесЬпо1.

1987.

Уо1.

11, N 3. Р. 577-611.

14. ЕНскзоп С.Е, Масе Р.К Изе оГ СагЬоп Рек аз а СоМ Сайюёе Гог а Ри1зес1 1лпе Х-Яау

8оигзе ОрегаЫ

а*

Шф Яере*Шоп Ка*ез // Кеу. 8с1.1пз1гит. 1983.

Уо1.

54. Р. 586.

15. Бугаев СЛ., Крейндель Ю.Е., Щанин ИМ. Электронные пучки большого сечения. М.:

Энергоатомиздат, 1984.

16.

Егепке1 У.

Оп Топкз'з ТЬеогу оПлцшс! 8игГасе ЯирШге Ьу а 1М&гт Е1ес1пс Р1еЫ // РЬуз.

8оуф*. 1935.Уо1. 8, N 6. Р.675-679.

17. Барташюс Ю.И, Праневичус Л.И, Фурсей Г.Н. Исследование взрывной электронной

эмиссии жидкого галлиевого катода // ЖТФ. 1971. Т. 41, вып. 9. С. 1943.

18. Пигулевский ЕД. Структура поля пьезоизлучения в ультразвуковом микроскопе // Изв.

Ленингр. электротехн. ин-та. 1958. Вып. 34. С. 213.

Литература к главе 22 493

19. Вазкт Ь.М.,

Ва1гакоу А. V.,

Ророу 8.А.,

Ргозкигоузку Б.1.

Е1ес1гос1упатю РЬепотепа оп

*Ье

Ехр1о51Уе-Епш5Юп Ыцшё МеЫ Сайюёе // Ргос. XVI18БЕ1У. Мозсо\у, 1994. Р. 2-5.

20.

ВаГгакоу

А.

Р1азта Ргорегйез

оГ Агс

Са*Ьос1е 8ро1 а! 1лцшс1-Ме*а1 СаЙюёе // Ргос. XX

18БЕ1У. Тоигз, 2002. Р. 123-130.

21. Бугаев С.П.,

Ковалъчук

Б.М., Месяц

Г.А.

Плазменный импульсный источник заряженных

частиц. А. с. 248091 СССР. Заявл. 5.11.67; Опубл. 5.11.73 // Открытия, изобрет., пром.

образцы, товар, знаки. 1973. № 45. С. 231.

22. Месяц

Г.А.

Генерирование мощных наносекундных импульсов. М.: Сов. радио, 1974.

23. Бугаев С.П., Месяц

Г.А.

Эмиссия электронов из плазмы незавершенного разряда по ди-

электрику в вакууме // Докл. АН СССР. 1971. Т. 196, № 2. С. 324-326.

24. СипМ Н. Е1ес1гоп Епшзюп Ьу Ыапозесопс! 8\уксЫп§ т РЬ2Т // 1п1е§га1её Реггое1ес1г.

1992.

Уо1.

Р.

202.

25. 8скасЫег Ь.

Ъегз У.А,

ИаНоп

У.А, КегзНск

О.8.

Апа1уз1з

оГ

а Бюёе

шХЪ.

а Реггое1ес*пс

Сайюс1е //

Арр1. РЬуз. 1993.

Уо1.

73 (12). Р. 8097-8110.

26. Апдгемз М., Вгига У.,

РШзНтап

Н.,

ЯозЮкег

N. Ейес!

о!"

а Ма§пе1лс ОиМе ПеМ оп 1Ье

Ргора^аНоп оГ 1п1епзе Яе1а11У1з1ю Е1ес1гоп Веатз // ЬаЬога1огу

о!"

Р1азта 8ШсИез. ИЬаса:

СогпеИ

1МУ.,

1969. Р. 18.

27.

Ьос1а

С.К.

Кесеп1

Аёуапсез т СоШ Сайюёе ТесЬпо1о§у аз АррНеё

1о

Ш§Ь Ро\уег Ьазегз //

Ргос. II 1п1егп. Торгса1 СопГ. оп НщЬ Ро\уег Е1ес1гоп апё 1оп Веагп ЯезеагсЬ апс! ТесЬпо1-

о§у. СогпеИ, 1977.

Уо1.

2. Р. 897-890.

28.

Яатггег У.У.,

СоокИ.Ь. А

81ис1у

оГЬо\у

Сиггеп!

Бегаку Мюгозесопё Е1есй*оп Веаш Бюёез //

Арр1.

РЬуз. 1980.

51, N 9.

Р.

4602^611.

29.

МезуаГз О.А.

Уасиит 01зсЬаг§е Ейесй т 1Ье Бюёез

оГ

Н1§Ь-Сиггет Е1ес1гоп Ассе1ега1огз //

ШЕЕ

Тгапз.

Р1азша 8сь1991. Уо1.19, N 5.

Р.

683-689.

30.

МШег

КВ. МесЬашзт оГ Ехр1оз1Уе Е1ес1гоп Епиззюп

Гог

В1е1ес*пс ПЬег (Уе1уе1) СаАоёез //

Арр1.

РЬуз. 1998.

Уо1.

84.

Р.

739.

31. Котов Ю.А., Литвинов Е.А., Соковнин С.Ю. и др. Металлодиэлектрические катоды для

ускорителей электронов // Докл. РАН. 2000. Т. 370, № 3. С. 332-335.

32. Гарбер

Р.И.,

Дранова Ж.И.,

Мансуров

Н.А.,

Михайловский

КМ. Сильноточный импульс-

ный автоэмиссионный катод // ПТЭ. 1969. № 1. С. 196-198.

33. Физика сильноточных релятивистских электронных пучков / А.А. Рухадзе, Л.С, Богдан-

кевич, С.Е. Росинский, В.Г. Рухлин. М.: Атомиздат, 1980.

34. Месяц Г.А., Проскуровский Д.И. Взрывная эмиссия электронов из металлических ост-

рий // Письма в ЖЭТФ. 1971. Т. 13, вып. 1. С. 7-10.

35. Ьеуте

Ь.8., УИкоуШку 1.М.

Ри1зеё Ро\уег ТесЬпо1о§у !ог

Соп1го11ес1

ТЬегшопис1еаг Ризюп //

ШЕЕ Тгапз.

*Гис1.

8сь 1971.

Уо1.

18, N 4, р12. Р. 105-112.

36.

8тИк

/., Скатрпеу Р, На(ск

Ь.

е! а1. Н1§Ь Сигтеп!

Ри1зес1

Е1ес1гоп Веаш Оепега1ог // 1Ыс1.

N 3. Р. 491-493.

37.

Рагкег Я.К., Апдегзоп Я.Е.,

Эипсап

С. V. Р1азша-1пёисес1 ПеШ

Епнззюп апё

*Ье

СЬагас1епз1юз

оШщЬ

СиггеШ Ке1аИу1з1ю Е1ес1гоп Р1О\У //1. Арр1.

РЬуз. 1974. Уо1.45, N 6.

Р.

2463-2478.

38. Мезуа(з О.А. ТЬе Ко1е

оГ Раз!

Ргосеззез

1П

Уасиит Вгеакс1о\уп // Ргос. X 1СРЮ. ОхГогё,

1971. Р1II. Р. 333-363.

39. Воропаев С.Г., Князев Б.А., Койдан В.С. и др. Получение мощного микросекундного

РЭП с высокой ПЛОТНОСТЬЮ тока // Письма

ЖТФ. 1987.

Т.

13, вып. 7. С. 431^435.

40. Баженов Г.П., Месяц

Г.А., Чесноков С.М.

О замедлении скорости движения эмиссионной

границы катодного факела в диоде, работающем в режиме взрывной эмиссии // РЭ.

1975. Т. 20, № 11. С. 2413-2415.

41. Бурцев В.А., Васильевский М.А., Гусев О.А. Исследование диода со взрывоэмиссионным

катодом при больших длительностях импульсов //

ЖТФ.

1978.

Т.

48, вып. 7. С. 1494-1503.

42. Баженов

Г.П., Чесноков С.М.

О минимальном токе взрывной эмиссии электронов // Изв.

вузов. Физика. 1976. № 11. С. 133-134.

43. Ковалъчук Б.М., Лавринович В.А., Манылов В.И. и др. Импульсный ускоритель элек-

тронов для возбуждения больших газовых объемов // ПТЭ. 1976. № 6. С. 125-127.

494 Глава

24.

Электронные пучки

большого

сечения

44.

МезуаХз

О.А., ВусНкоу

Уи.1.,

КоуакНик В.М. №§Ь-Ро\уег ХеС1 ЕхЫтег Ьазегз // Мепзе

Ьазег Веатз. Ьоз Ап^екз: 8Р1Е ргезз, 1992. Р. 70-80. (Ргос. 8Р1Е.

Уо1.

1628).

45. Едмагйз С.В.,

О'ЫеШ

Е, 8Исм М.1 60-пз е-Веат ЕхскаНоп оГЯаге-Оаз НаНёе Ьазегз //

Арр1. РЬуз. Ьей. 1980.

Уо1.

36, N 8. Р. 617-620.

46.

Ес1еп У.С?.,

Ерр Б. Сотрас*

Соах1а1

Бюёе Е1ес1гоп Веаш 8уз1ет: СагЬоп Сайюёез

апс1

Ап-

оёе РаЬпсаНоп ТесЬтяиез // Кеу. 8сь1пз1гиш. 1980.

Уо1.

51, N 6. Р. 781-785.

47.

Катггег У., РгезШсН

К.,

С1агкК.

е!

а1.

е-Веат

Гог

Ьазег Ехскайоп // Ргос. II 1п1егп. Торюа1

СопГ. оп

№§11

Ро\уег Е1ес1гоп апё 1оп Веаш КезеагсЬ

апс!

ТесЬпо1о§у. СогпеИ, 1977.

Уо1.

Р. 891-902.

48. Ьода С.К.,

Мезкап

Б.А. ЯереМ1уе1у ри1зей е1ес1гоп Ьеат §епегаЮг //

1Ьк!.

Уо1.1.

Р.

252-273.

49.

МезуаХз

О.А. Н1§Ь-Ро\уег РаЛю1е Веатз Гог Саз Ьазегз // Ри1зе Ро\уег Гог Ьазегз III.

Ьоз

Ап§е1ез:

8Р1Е ргезз, 1991. Р. 2-14. (Ргос. 8Р1Е.

Уо1.

1411).

50. 8саг\еП

Ж.К.,

АпФемз К.К., Запзеп

Н.

А Ьаг§е-Агеа СоМ-СаЙюс1е Спё-СогйгоИес! Е1ес1гоп

Сип &г АЫТАКЕ8 // Ргос. II ШЕЕ

1п1егп.

Ри1зеё Роу/ег

СопГ.

ЬиЬЬоск, 1979. Р. 261-265.

51.

Крейндель Ю.Е.

Плазменные ИСТОЧНИКИ электронов. М.: Атомиздат, 1977.

Глава 23

ТРУБЧАТЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ПУЧКИ

§ 25.1 Принцип работы диодов

Одной из проблем источников электронов с ВЭЭ является поиск методов тор-

можения разлета катодной плазмы. Исследования в этой области пошли по двум

основным направлениям. Первое связано с торможением плазмы электрическим

полем, о чем мы говорили в предыдущей главе, второе - магнитным. В первом

случае необходимо перевести плазму в режим насыщения эмиссии электронов, т.е.

уменьшить ее концентрацию. С этой целью снижают ток через зону эктона и, сле-

довательно, среднюю плотность тока до 0,1-10 А/см

. Для получения килоампер-

ных токов в таких диодах формируют электронные пучки большого сечения.

Наложение магнитного поля поперек разрядного промежутка, как показали

первые эксперименты Бакшт и Месяца [1], тоже приводит к уменьшению скорости

расширения катодной плазмы. Это позволяет устранить или существенно умень-

шить ток на анод и тем самым ослабить анодные процессы, а также убрать анод-

ную фольгу - наиболее слабый элемент диода. Первые бесфольговые коаксиаль-

ные диоды с магнитной изоляцией (КДМИ) на основе катодов с ВЭЭ были пред-

ложены Фридманом и Ури [2]. Трубчатые электронные пучки, формируемые в

таких диодах, применяются для генерации СВЧ-излучения. Подробно работа КДМИ

описана в монографии Бугаева с соавторами [3]. Фактически релятивистская

сверхвысокочастотная (СВЧ) электроника стала основным потребителем исследо-

ваний КДМИ. Подробнее об этом мы будем говорить ниже в главе 30.

Известно множество конструкций коаксиальных диодов с магнитной изоля-

цией. По взаимному расположению катода и анода КДМИ можно разделить на

два типа: прямые и обращенные (рис. 1). В прямых КДМИ (рис. 1, а, б) внутрен-

ним электродом служит катод, в обращенных (е) - анод. При этом из плазмы,

образующейся на катоде в процессе ВЭЭ, формируется трубчатый электронный

пучок, который по силовым линиям магнитного поля выводится из диода в ваку-

умную трубу дрейфа. Если на внутренний электрод диода (см. рис. 1, б) подавать

положительный импульс напряжения, то такой диод становится обращенным.

496

Глава 25. Трубчатые электронные пучки

Он используется для генерации СВЧ-излучения в обращенных магнетронах [4] и

для получения ионных пучков [5-7]. Из таких диодов электронный пучок не вы-

водится. Ниже под КДМИ мы будем подразумевать прямые диоды.

Другим основанием для классификации КДМИ является конфигурация сило-

вых линий магнитного поля. Различают диоды с однородным (рис. 1, б, в) и неод-

нородным (а, г, д) магнитным полем. Для КДМИ первого типа индукции магнит-

ного поля в диоде В

ив области транспортировки пучка В

одинаковы, т.е.

=В

. Средний радиус тонкого замагниченного пучка электронов примерно ра-

вен радиусу катода (г

>г

). В КДМИ второго типа магнитное поле на катоде

меньше, чем в трубе дрейфа. Оно нарастает от катода перпендикулярно силовым

линиям магнитного поля. Степень неоднородности магнитного поля характеризу-

ется пробочным отношением (отношением параллельных оси диода компонент

магнитного поля в трубе дрейфа и на катоде) к =

В^!В

Радиус тонкого трубчатого

пучка для таких диодов в соответствии с законом сохранения магнитного потока и

при однородном поперечном сечении магнитного поля равен

Г Т*

1/2

До

= г

*-"2. (25.1)

Л)

В обращенных КДМИ (рис. 1, е) также используются как однородное, так и не-

однородное магнитные поля.

По геометрии электродов различают [3] конические (рис. 1, а\ цилиндриче-

ские (б) и плоские (в) диоды. В конических перемещением катода вдоль оси легко

регулировать межэлектродный зазор и радиус пучка. В плоском диоде можно изме-

нить соотношение поперечной и продольной составляющих напряженности электри-

ческого поля на катоде. Однако в области прямоугольного перехода анод-труба дрей-

фа электрическое поле неоднородно, что может приводить к дополнительному уве-

личению поперечной составляющей скорости электронов пучка. Неоднородность

электрического поля можно уменьшить, используя конический анод (рис. 1, г).

Рис. 25.1. Конфигурация КДМИ. Диоды: а - конический, б - цилиндрический, в - плоский,

г-с коническим анодом, д - с многоострийным катодом, е - обращенного типа; 1 - катод,

2 - анод,

- соленоид,

- труба дрейфа,

- силовые линии магнитного поля

§25.1 Принцип работы

диодов

497

В КДМИ применяются в основном графитовые, реже - металлические катоды.

Наиболее детально исследованы торцовые (со сплошной торцовой поверхностью)

(рис. 1, б), трубчатые (иногда их называют кольцевыми, или кромочными) (в) и

многоострийные (д) катоды. Для усиления электрического поля поверхность тор-

цового катода, обращенную к аноду, делают шероховатой или уменьшают толщину

стенки трубчатого катода. Недостатком торцового катода является эмиссионный

ток с торца при высокой напряженности электрического поля, паразитный в СВЧ-

устройствах. Использование многоострийного катода также ограничено возбужде-

нием ВЭЭ на электродах, между которыми располагаются острия (рис. 1, д). По-

этому наибольшее применение в релятивистской СВЧ-элекгронике нашли трубча-

тые катоды.

Индукция магнитного поля в КДМИ выбирается такой, чтобы при заданном

напряжении на диоде электроны, эмитируемые катодом, не пересекали межэлек-

тродный промежуток

с1

= |г

-г

| (рис. 1, б), где г

и г

- радиусы анода и катода

соответственно. Индукция магнитного поля, при которой происходит отсечка элек-

тронного тока на аноде, называется критической В^. Для релятивистских элек-

тронов при условии сохранения полного магнитного потока в межэлектродном

зазоре [8, 9]:

.<>-11/2

2еУ

(

( еУ тс

хЭ{ф —

е(1

(25.2)

Здесь </

эф

- эффективный межэлектродный зазор, в плоском диоде равный рас-

стоянию между катодом и анодом. В диоде цилиндрической геометрии [9]

Экспериментально измеренное В^ [10, 11] для цилиндрического диода в преде-

лах 5% совпадает с вычисленным по формуле (2). Однако как в прямых [10, 12],

так и в обращенных [6, 7] диодах зарегистрирован незначительный (менее 10%

тока выведенного электронного пучка) электронный ток поперек магнитного поля

В>В

Кр

. Протекание этого закритического тока коррелирует с возбуждением в

диоде СВЧ-колебаний широкого частотного диапазона [10, 11] и связывается с раз-

витием диокотронной неустойчивости электронного слоя вокруг катода. Анодный

ток при В

Дф может приводить к образованию анодной плазмы, что часто быва-

ет нежелательным.

Ток проводимости, протекающий по внутреннему электроду (катоду) в коакси-

альном цилиндрическом диоде с внешним магнитным полем В, создает азимуталь-

ное магнитное поле В

. При этом траектории электронов в диоде определяются

суммарным воздействием обоих магнитных полей [8, 10, 11]. Изоляция межэлек-

тродного промежутка, создаваемая только полем 2?

, получила название магнитной

самоизоляции. Она широко используется в сильноточных ускорителях для передачи

энергии от накопителей к диодам по коаксиальным вакуумным линиям. Критиче-

ский ток, при котором достигается режим самоизоляции:

^кр -

е\]

(25.3)

где 2

- волновое сопротивление линии, II - приложенное напряжение.

32. Месяц Г.А.

498

Глава 25. Трубчатые электронные пучки

§ 25.2 Устройство электронных пушек для КДМИ

Использование КДМИ для формирования сильноточных релятивистских элек-

тронных пучков (РЭП) накладывает свои особенности на конструкцию электрон-

ных пушек. Основными элементами электронных пушек для КДМИ (рис. 2) явля-

ются вакуумный изолятор, катодно-анодный узел, магнитная система. Давление

остаточного газа в ускорительных трубках обычно < Ю

-2

Па.

Вакуумные изоляторы выполняются как сплошными (рис. 2, в), так и секцио-

нированными (рис. 2, а, б, г). Они размещаются в металлическом корпусе (а, б),

либо сами служат корпусом электронной пушки (в, г). Напряжение распределяется

по изолятору с помощью емкостных, индуктивных и резисторных делителей. При

первом типе деления напряжения емкостями служат секции изолятора - чередую-

щиеся диэлектрические и металлические кольца. Для индуктивного деления на-

пряжения на поверхность сплошного изолятора наматывается спираль с опреде-

ленным шагом. При микросекундных длительностях импульса используются рези-

стивные делители напряжения. Для секционированных изоляторов это обычно

цепочки резисторов, закрепленные последовательно на металлических градиент-

ных кольцах. В сплошных изоляторах резистивное распределение напряжения мо-

жет осуществляться проводящей жидкостью (электролитом). В этом случае [13]

изолятор (рис. 2, в) состоит из двух коаксиальных цилиндров, между которыми

залит раствор медного купороса. Общее требование к делителям напряжения -

малый по сравнению с током пучка потребляемый ток. Средняя по длине секцио-

нированного изолятора напряженность электрического поля при длительности

импульса /

>1мкс выбирается в пределах 10-20 кВ/см [14]. При наносекунд-

ных длительностях импульса напряжения она в несколько раз выше и обычно

<80 кВ/см [15].

3 - отражатель, 4 - анод, 5 - катод, 6 - соленоид,

- силовые линии магнитного поля, 8 -

коллектор.

25.2 Устройство электронных пушек для

КДМИ 499

Наряду с обеспечением электрической прочности вакуумных изоляторов важ-

ную роль в работе электронных пушек играют обратный ток и ток утечки с като-

додержателя. Эти паразитные токи уносят часть энергии и снижают эффектив-

ность ускорителей, которая определяется как отношение энергии выведенного

электронного пучка к энергии высоковольтного накопителя. Кроме того, они влия-

ют на работу диода и электрическую прочность изолятора.

Обратный ток в КДМИ обусловлен наличием компоненты ускоряющего электри-

ческого поля с обратной стороны катода или катодной плазмы. В первых КДМИ ка-

тод обычно закреплялся на катододержателе меньшего диаметра (см. рис. 1, а, б).

При высокой напряженности электрического поля эктоны возникали с обратной сто-

роны катода и электронный пучок по силовым линиям спадающего магнитного поля

ускорялся в сторону вакуумного изолятора. Обратный ток при такой конфигурации

электродов может превышать ток прямого пучка электронов, инжектированного в

трубу дрейфа. Попадание электронов на изолятор инициирует пробой по его поверх-

ности [3,13], а на анод - образование анодной плазмы и пробой диода.

При одинаковых диаметрах катода и катододержателя обратный ток формиру-

ется с задней стороны катодной плазмы, расширяющейся поперек однородного

магнитного поля (рис. 1, в) на сантиметровые расстояния при микросекундных

длительностях импульсов напряжения. В этом случае обратный ток меньше прямо-

го и возрастает по мере расширения катодной плазмы. В неоднородном магнитном

поле (рис. 1, г) он возникает одновременно с прямым пучком сразу же на переднем

фронте импульса напряжения при возбуждении ВЭЭ на кромке катода.

Подавление обратного тока требует реализации таких условий, при которых

силовые линии магнитного поля, выходящие на поверхность анодного узла и изо-

лятор, не пересекают эмитирующую поверхность катода [16]. С этой целью обыч-

но между катодом и катододержателем располагают отражатель электронов кони-

ческой (рис. 2, а), плоской (б) или сферической формы. При этом силовые линии

магнитного поля, соответствующие радиусу катода с учетом поперечного расши-

рения катодной плазмы, должны проходить ниже вершины катододержателя (а, б).

Другие методы подавления обратного тока связаны с подбором конфигурации

магнитного поля. Так, обратный ток в однородном коаксиале, составлявший

25-35% от тока пучка, устранялся использованием магнитного поля пробочной

конфигурации за катодом [17]. Если вся ускорительная трубка помещалась в маг-

нитное поле (рис. 2, в\ то устранялся и ток утечки с катододержателя [13]. В элек-

тронной пушке [18], где соленоид располагался внутри изолятора (г), потери элек-

тронного тока практически отсутствовали. Эффективность ускорителя с традици-

онной пушкой (а) при напряжении на диоде 700 кВ была 20%, а с пушкой (г) при

этом же напряжении - 75-80%. Такие эффективные электронные пушки исполь-

зуются только для получения трубчатых пучков малого диаметра. В пушках,

выполненных по схеме рис. 2, а, катододержатели имеют большую площадь, осо-

бенно при мегавольтных напряжениях. Это снижает среднюю напряженность элек-

трического поля, при которой возникает ВЭЭ и идет утечка с катододержателя.

Так, в исследованиях, проведенных на ускорителе «Гамма», время задержки взрыв-

ной эмиссии составляло 0,2-0,4 мкс при Е = 80-120 кВ/см и единицы микросе-

кунд при Е = 60 кВ/см [19]. Токи утечки составляли 30-60 кА, что существенно

снижало эффективность ускорителя.

32*