Месяц Г.А. Импульсная энергетика и электроника

Подождите немного. Документ загружается.

500

Глава 25. Трубчатые электронные пучки

Преимущество пушки, приведенной на рис. 2, б, - в малой длине катододержа-

теля. Для уменьшения тока утечки вводится дополнительный соленоид, намотан-

ный на вакуумную камеру.

§ 25.3 Катодная плазма в магнитном поле

25.3.1 Образование катодной плазмы и ее свойства

Как было показано в главе 5, наложение магнитного поля не изменяет время

задержки появления ВЭЭ. Однако это поле существенно влияет на процесс обра-

зования плазмы в КДМИ. Фотографирование свечения плазмы через фланец тру-

бы дрейфа показало, что число эмиссионных центров ВЭЭ увеличивается с рос-

том магнитного поля, что улучшает однородность эмиссионного плазменного

слоя. Это следует также из фотографии свечения плазмы на поверхности катода

из графита (рис. 3). Эти процессы исследовались подробно в [20]. В КДМИ на

графитовый трубчатый катод с толщиной стенки 0,5 мм подавался импульс на-

пряжения амплитудой V = 200 кВ и длительностью /

=5 не. Магнитное поле в

диоде изменялось в пределах В = 0-10 кГс. Радиус катодного факела (КФ) был

мал: г

-VI^

=0,1 мм, и геометрический фактор не вызывал существенного умень-

шения электрического разряда на катоде. Ведущую роль в экранировке играл

заряд электронного тока. Исследования показали, что число эмиссионных цен-

тров в основном росло в области малых магнитных полей, где ларморовский ра-

диус электронов г

» При этом линейную плотность факелов по периметру

можно аппроксимировать зависимостью N ~В

, где а « 0,5, а расстояние меж-

ду факелами ~ АВ"

, где А~

см кГс

0,5

. В достаточно сильном магнитном по-

ле, когда ларморовский радиус г

~ рост числа эктонов замедлялся.

Рис.

25.3.

Влияние магнитного поля на плотность катодных факелов в коаксиальном диоде с

цилиндрическим катодом. Я, кГс: а-0; 6-1; в-3; г- 10

$ 25.3

Катодная плазма

магнитном

поле 501

Влияние материала и толщины трубчатого катода (напряженность электриче-

ского поля) на ток пучка и его нестабильность вследствие конечного числа КФ при

длительностях импульса напряжения

30 не исследовалось для катодов из гра-

фита, меди и нержавеющей стали толщиной 0,1; 0,5; 2 мм при напряжении на дио-

де

= 500 кВ и магнитном поле В = 5 кГс [21]. С увеличением напряженности

электрического поля на катоде при уменьшении толщины катода и с переходом от

нержавеющей стали к графиту ток пучка возрастал, а его нестабильность умень-

шалась. Влияние материала катода на характеристики пучка при малых /

может

быть более существенно, чем напряженности электрического поля. Так, при часто-

те повторения импульсов 50 Гц нестабильности тока пучка и напряжения на диоде

близки (< 1%) для трубчатого катода из графита толщиной И

= 0,5 мм и для мед-

ного катода с

= 0,1 мм. Это объясняется зависимостью времени запаздывания

появления эктона /

и соответственно их линейной плотности от материала катода.

Так, при

= 0 измерены г

для графитовых, оловянных, медных, алюминиевых

и молибденовых катодов и показано, что 1

минимально для графитового като-

да. Причем при напряженности электрического поля на катоде Е « 800 кВ/см,

« 2-3 не для графита и -20 не для алюминия. При длительности фронта импуль-

са

/ф

> 100 не определяющую роль в формировании плазмы играет скорость роста

напряженности электрического поля на катоде.

В формировании плазменной эмиссионной поверхности важна динамика обра-

зования эмиссионных центров ВЭЭ во времени, которая исследовалась для двух

принципиально отличных экспериментальных условий [22]. В одном случае на-

пряженность электрического поля в диоде была недостаточна для возбуждения

взрывной эмиссии на катоде и плазма первичного эктона создавалась поджигом от

специального источника напряжения. В другом - ВЭЭ возбуждалась внешним

электрическим полем. В первом эксперименте [22] (рис. 4, а) катодом служил мед-

ный диск диметром 12 и толщиной 0,5 мм. Межэлектродный зазор

= 5 мм. Для

изучения динамики образования первичных эктонов использовались зонды из тон-

кой медной проволоки, устанавливаемые на некотором расстоянии от места под-

жига. На диод подавался прямоугольный импульс напряжения длительностью до

1,3 мкс и амплитудой до 30 кВ. Одновременно на поджигающий электрод поступал

импульс длительностью 5 не и таким образом фиксировалось место образования

первичного эктона. Выяснилось, что новые эктоны возникают практически только

(я

а о,4

0,2

0,8

0,6

0 2 4 6 8 10 12

х [мм]

(б)

Рис. 25.4. Схема коаксиального диода (а) и время запаздывания появления сигнала с зондов,

расположенных на расстоянии х от места поджига (б)

502

Глава 25. Трубчатые электронные пучки

во время высоковольтной стадии вакуумного разряда и последовательно размно-

жаются в направлении силы Ампера. С помощью зондов определялись время за-

паздывания Г

появления взрывной эмиссии с зонда (рис. 4, б) и потенциал плазмы

в данных точках катода. Из зондовых измерений и фотографий плазмы следует, что

скорость движения границы образования первичного эктона составляет (1—2)10

см/с

и не зависит от магнитного поля В = 2-10 кГс.

Полученные результаты позволили авторам [22] предложить механизм образо-

вания новых эктонов в магнитном поле. Плазма, вытекающая из первоначального

эмиссионного центра, дрейфует по азимуту вдоль катода со скоростью 210

см/с.

Из-за неравномерности поступления материала катода в плазму [22] в ней возни-

кают разрывы и потенциал периферийной области плазмы может достигать единиц

киловольт. При повышении потенциала плазмы над данным участком катода на

нем возникает ВЭЭ и образуется новый эктон. Последующие эктоны образуются

эстафетно от предыдущих.

Эксперименты [3] проводились в КДМИ с неоднородным магнитным полем,

имеющим пробочное отношение к = 6,7. Использовался тонкостенный (к

= 0,1 мм)

трубчатый катод из нержавеющей стали. На диод с межэлектродным зазором

= 8 см подавался импульс напряжения длительностью г

1 мкс, = 0,3 мкс и

амплитудой V = 1,6 МВ. Динамика размножения зон появления эктонов исследо-

валась на анализаторе, установленном в трубе дрейфа в области однородного маг-

нитного поля. Основным элементом анализатора был графитовый конус с радиаль-

ными разрезами различной ширины. Длина щелей вдоль магнитного поля была

больше шага ларморовской спирали. Конус служил коллектором для основной час-

ти тока электронного пучка Д. Для регистрации тока за щелью /

использовались

специальные графитовые коллекторы. Эффективная ширина щели /

эф

определя-

лась как разность между поперечным размером щели и диаметром ларморовской

окружности.

Осциллограммы коллекторного тока /

(0 не повторяли по форме импульс тока

пучка Д(0, на них наблюдались всплески разной интенсивности с периодом по-

рядка 100 не (рис. 5). Это свидетельствует о том, что в пучке существуют азиму-

тальные уплотнения тока (струи), причем они сохраняются на протяжении всего

импульса. Число струй увеличивается практически только в первые 200-300 не,

т.е. на переднем фронте импульса напряжения. Число струй растет примерно ли-

нейно с увеличением магнитного поля в диапазоне В

= 1,2-4,2 кГс. По «автогра-

фу» пучка при /

ж/ф «0,3 мкс найдено, что число струй в пучке при В

= 1,8 кГс

равно 20-25. При этом расстояние между катодными факелами составляло 1,5-2 см.

Рис. 25.5. Осциллограммы полного тока пучка

(а)

и тока за щелью шириной 4 мм (б)

25.3 Катодная плазма в магнитном

поле 503

Характеристики плазмы, образующейся на катоде при ВЭЭ в магнитном поле,

исследовались в [22-27]. Массовый состав плазмы определялся по ее спектраль-

ному свечению в диапазоне 200-700 нм как интегрально за время разряда [27],

так и с временным разрешением [25, 26]. Концентрация плазмы измерялась с

помощью лазерной интерферометрии [27, 24], шлирен-фотографии [25], голо-

графии [26] и по штарковскому уширению линий водорода [10, 27]. Минималь-

ная концентрация плазмы в используемых методиках составляла 10

-10

см

-3

пространственное разрешение >0,1 мм. Температура плазмы вычислялась [25]

по относительной интенсивности свечения спектральных линий в предположе-

нии локального термодинамического равновесия. Эксперименты проводились

при нано- (< 100 не) и микросекундных (<5 мкс) длительностях импульса на-

пряжения амплитудой II = 0,2-2 МВ. При сравнении результатов, полученных в

различных экспериментальных условиях, параметром может служить линейная

плотность тока /

= 7/(2 я г

) (ток на единицу длины периметра катода).

В [27] спектральные исследования свечения плазмы проводились на графитовых,

алюминиевых и медных катодах. Полученные спектрограммы указывали на присут-

ствие в плазме как материала катода (А11, А1II, А1III, Си I, Си II), так и десорбируе-

мого газа и продуктов крекинга углеводородов (Н, СI, СII и др.), причем интенсив-

ность свечения последних значительно превышала интенсивность линий металла и

была практически одинакова для всех катодов (С, А1, Си). При фотометрировании в

аксиальном направлении отчетливо виден пик на кромке катода. В радиальном на-

правлении интенсивность линий металла (Си1, Си II) более резко спадает внутрь

промежутка, чем ЛИНИЙ С

, Нр, СII. Последнее может быть обусловлено различием в

механизмах разлета плазмы поперек и вдоль магнитного поля.

Для графитового катода наиболее интенсивны линии Н

и С II 657,8 нм. При-

чем интенсивность линии Н

(концентрация излучающих атомов) существенно

различалась от импульса к импульсу при постоянной плотности электронов. Для

воспроизводимости результатов в диод напускали водород, который адсорбировал-

ся на поверхности графитового катода в течение нескольких минут, а затем диод

откачивался до рабочего вакуума. Эти экспериментальные результаты также ука-

зывают на важную роль ионизации десорбируемого с катода газа в формировании

прикатодной плазмы.

В спектре прикатодной плазмы при исследованиях с временным разрешени-

ем [26] во время высоковольтной стадии вакуумного разряда наиболее ярки водо-

родные линии На и Нр. После окончания импульса высокого напряжения длитель-

ностью

= 70 не плазма излучала еще более 100 не. В этот период регистрирова-

лись многие линии нейтралов и молекулярные полосы, особенно углеродные.

Исследования показали, что плотность плазмы увеличивается в течение им-

пульса и практически линейно растет с током. Так, изменение линейной плотности

тока от 4 до 0,5 кА/см (*

= 40 не) при изменении индукции магнитного поля от

нуля до 14 кГс привело к уменьшению плотности плазмы вблизи (порядка 1 мм)

катода на порядок (от 1,810

до 1,4-10

см

-3

) [10]. Плотность плазмы у катода в

КДМИ при /

« 0,3 кАУсм достигает п «10

см

-3

через 3 мкс от начала импульса

напряжения [24]. При линейной плотности тока 0,1 кА/см плотность плазмы

п < 10

см

-3

в течение всего импульса /

« 3 мкс [27]. При относительно большой

линейной плотности тока 5-10 кА/см и /

50-70 не плотность плазмы вблизи

504

Глава 25. Трубчатые электронные пучки

катода равна (0,5-4)-10

см

-3

[25, 26] и спадает на порядок на расстоянии > 2 мм

от катода. При микросекундных длительностях импульса напряжения плазма плот-

ностью 2-10

^10

см

-3

представляет собой трубку с толщиной стенки 2-3 мм, вы-

тянутую вдоль неоднородного магнитного поля [24]. Такая геометрия катодной

плазмы также указывает на различный характер ее расширения поперек и вдоль

магнитного поля. Сравнение спектроскопических данных для алюминиевого като-

да в диоде без магнитного поля [28] и в КДМИ [27] показало наличие одних и тех

же линий алюминия. Это позволило предположить, что температура катодной

плазмы в КДМИ не превышает 5 эВ [27].

Проведенные различными авторами исследования позволяют сделать следующие

основные выводы: плазма на катоде состоит как из материала катода, поступающего

при ВЭЭ, так и из десорбированного газа и продуктов крекинга масла, используемо-

го при получении вакуума в диоде, причем заметную часть плазмы может составлять

водород. Плотность плазмы вблизи катода в широком диапазоне условий экспери-

мента (/

= 0,1-10 кА/см) составляет 10

-10

см

-3

и быстро спадает внутрь разряд-

ного промежутка. Плазма с высокой плотностью п = 10

—10

см

-3

, необходимой для

самоподдержания эктонов, сосредоточена вблизи катода на расстоянии менее 0,1 мм.

Давление магнитного поля (2?~ 10

Гс) существенно превосходит давление катодной

плазмы (2?

/8л » пТ) уже на расстоянии 0,1 мм от катода.

25.3.2 Движение катодной плазмы

После возникновения ВЭЭ катодная плазма оказывается в магнитном поле и

начинает двигаться как поперек этого поля, так и вдоль него. Рассмотрим вначале

поперечное, или радиальное, движение. Заметим, что детально исследовались

плазменные процессы в цилиндрическом КДМИ с однородным магнитным полем

(рис. 1, б). Поэтому удобно рассмотреть физические явления в КДМИ на примере

простой геометрии.

Наиболее распространена методика измерения радиальной составляющей ско-

рости движения катодной плазмы поперек магнитного поля по расширению

электронного пучка, регистрируемого системой коллекторов (токовых датчиков),

установленных в конце трубы дрейфа [27]. При этом предполагается, что электро-

ны пучка идут строго по силовым линиям магнитного поля и переносят изображе-

ние плазмы. В большинстве случаев это приближение выполняется, за исключени-

ем начальной стадии формирования пучка при мегавольтных напряжениях на дио-

де [19]. Назовем эту методику измерения у

коллекторной. Используются разные

модификации метода, в том числе с регистрацией электронов пучка по рентгенов-

скому излучению [12]. Значение у

оценивается также по фотографиям свечения

плазмы, получаемым в разные моменты импульса электронно-оптическими преоб-

разователями. Фотоэлектрическая методика [29] позволяет измерять скорости раз-

лета слоев плазмы с разной интенсивностью свечения (плотностью). Минималь-

ный световой поток, регистрируемый ФЭУ, составлял Г

«1-10~

лм, а максималь-

ный- Г*4-Ю

лм [29].

Азимутальная составляющая скорости катодной плазмы 1>ц обычно определя-

ется по фотографиям свечения плазмы либо по «автографам» пучка на чувстви-

тельной полимерной пленке, полученным при разных длительностях импульса

напряжения на диоде [23]. В последнем случае предполагается, что скорбеть

$ 25.3

Катодная плазма в магнитном

поле 505

азимутального вращения пучка мала. Она легко оценивается, а также измеряется

по нескольким автографам пучка, полученным вдоль его распространения, для

профилированного каким-либо способом катода.

Для характеристики пробоя КДМИ поперек однородного магнитного поля ис-

пользовалось время коммутации г

, определяемое по длительности импульса диод-

ного напряжения на уровне 10% от амплитудного значения [27]. В экспериментах

осуществляется постоянный контроль за тем, чтобы пробой развивался именно по-

перек магнитного поля. Другие каналы развития разряда устранялись, в частности,

увеличением расстояния от катода до коллектора. Все исследования проводились

при В

> Вщ>.

Давление остаточного газа в пределах (1—9)-10~

Па не оказывает влия-

ния на величину /к± [29]. Время коммутации уменьшается на 10% при « 2

• 10~

Па

и практически вдвое при р» 0,2 Па.

Для выяснения роли катодной плазмы в пробое поперек магнитного поля изме-

рялись /

и время запаздывания появления катодной плазмы [27] в различных точках

по радиусу вплоть до анода с помощью коллекторной методики. Для трубчатых гра-

фитовых и алюминиевых катодов (рис. 6) пробой поперек магнитного поля развива-

ется при подходе катодной плазмы к аноду [29]. До коммутации диода регистриро-

вался ток на анод порядка 10% от тока пучка. Время задержки тока на анод умень-

шалось с уменьшением межэлектродного зазора ^ и составляло для тока 150 А ~ /

при

с1

= 0,65 см. В этих условиях скорость катодной плазмы усредненная по

большей части зазора, и скорость коммутации диода

с1/(

совпадают в пределах по-

грешности измерений. Таким образом, анодная плазма, которая может образовывать-

ся при попадании электронов на анод, не оказывает существенного влияния на про-

бой диода. Аналогичные результаты получены для КДМИ с торцовыми графитовы-

ми и медными катодами [27]. Различие их значений не превышает 20%.

г [см]

Рис. 25.6. Зависимости времени запаздывания появления катодной плазмы от расстояния

по радиусу для трубчатых катодов из графита для (I = 2,6 (/), 1,45 (2) и алюминия для

(Л- 2,6 см (5).

= 18 кГс; ^ - время коммутации. Движение плазмы внутрь графитового

цилиндрического катода (4)

506

Глава 25. Трубчатые электронные пучки

Дополнительным подтверждением определяющей роли катодной плазмы в про-

бое диода являются эксперименты [3], в которых изменение геометрии катода при

прочих равных условиях привело к изменению величины

с!/1

Так, при 4=6 мм,

17= 300 кВ, В > 10 кГс для торцового катода = 510

см/с, а для острийного

сИ1

< 2-10

см/с. Для острийного катода (4 = 3 мм, В = 12 кГс)

сИ1

зависит от его

материала, что следует из таблицы 1.

Таблица 25.1.

Материал А1 XV

Мо

Си

с!/1

см/с

2,3

2,6

2,7 3,6

6,6

Как показали спектральные измерения, катодная плазма имеет в цилиндриче-

ском КДМИ ионизированный десорбированный газ. Поэтому представляют инте-

рес исследования пробоя диода с катодом, нагретым до температуры, достаточной

для удаления основной части адсорбированного на поверхности катода газа и

пленки масла [27]. Катод из танталовой фольги прогревался 20-30 мин при темпе-

ратуре 1400 °С. Импульс напряжения подавался на диод без снятия накала катода.

Массовый состав катодной плазмы на нагретом катоде не контролировался, но из-

вестно [3], что при такой температуре поверхность тантала практически чиста.

Нагрев катода до 1400 °С при (1=6 мм, В = 6 кГс не привел к изменению !

. Полу-

ченные данные позволяют полагать, что пробой диода обусловлен собственно ка-

тодной плазмой, а не движением фронта ионизации газа, десорбированного с като-

да в сторону анода.

Рассмотрим влияние магнитного поля, напряжения, зазора, тока, радиуса като-

да на время и скорость пробоя диода поперек магнитного поля, обусловленные, как

показано выше, разлетом катодной плазмы. В относительно слабых магнитных

полях (В <5 кГс) скорость пробоя диода

Ш1

растет с уменьшением зазора. В силь-

ных полях

С1/1

несколько выше для больших зазоров

(с1

= 1,45-2,6 см), чем для

малых

(с1

= 0,37-0,65 см). Чтобы найти влияние напряжения на диоде на скорость

пробоя, определяли величину (/

< (

- время запаздывания начала нарастания

тока на анод) в диоде с межэлектродным зазором

с1

= 3,35 см в магнитном поле

В «(1-4)2?кр, Якр = 1 кГс. При изменении напряжения на диоде примерно в 2 раза

(от 280 до 580 кВ) в магнитном поле В = 4 кГс величина

с111

возросла примерно в

2,5 раза и достигла почти 210

см/с. При меньших полях различие в значениях

увеличивалось. Сравнение результатов, полученных в [29] для одинаковой геомет-

рии диода (г

= 3,0;

с1

= 2,6 см; В - 21 кГс), показало, что повышение напряжения

практически на порядок (от 0,19 до 1,5 МВ) привело к увеличению примерно

в 4 раза (от 810

до 3,5-10

см/с). В описанных экспериментах с увеличением

напряжения возрастал ток пучка. В трубе дрейфа специальной геометрии были

измерены (

при постоянном токе пучка

= 0,9 кА

(с!

= 0,5 см и В = 24 кГс) [30].

Увеличение напряжения в пределах V = 50-300 кВ привело к росту

сИ1

от 5-10

до

1-Ю

см/с. Приведенные данные свидетельствуют о том, что скорость пробоя диода

поперек магнитного поля возрастает с повышением напряжения и соответственно

напряженности электрического поля на катоде.

С помощью той же трубы дрейфа исследовались зависимости

)

и !

(г

) [30].

Первая получена при постоянных напряжении (V = 240 кВ) и магнитном поле

$ 25.3

Катодная плазма в магнитном поле

507

(В = 24 кГс), г

= 2,0 см,

= 0,5 см. Увеличение тока пучка от 0,6 до 3,5 кА привело

к незначительному (около 15%) увеличению времени коммутации диода. Экспери-

ментальная проверка влияния г

на /

проводилась при постоянных значениях

24 кГс,

с!

« 1 см и линейной плотности тока пучка 1

/2пг

» 0,09 кА/см. С уве-

личением г

от 2 до 4,5 см время коммутации диода возрастает с 1,4 до 1,8 мкс.

Динамика движения катодной плазмы поперек магнитного поля в цилиндриче-

ском КДМИ зависит от материала и геометрии катода, магнитного поля, концен-

трации плазмы и направления ее распространения (в сторону анода или к оси дио-

да) [27]. Плазма существенно неоднородна, на осциллограммах коллекторного тока

и сигнала с ФЭУ наблюдаются сильные выбросы.

Как показали коллекторные измерения на графитовом катоде, динамика движе-

ния плазмы по радиусу различна, когда магнитные поля меньше или больше опти-

мального В

от

, при котором средняя по межэлектродному зазору и

минимальна.

При В < В

от

скорость плазмы по радиусу, первоначально равная 210

см/с, умень-

шается, а затем несколько возрастает. При В

от

она увеличивается с удалением от

катода. В случае В » В

от

скорость плазмы в промежутке примерно постоянна. Для

металлических катодов (А1, Си) при В

от

она возрастает с удалением от катода по

радиусу 8 > 0,3 см. По-видимому, в этом случае, а также для графитового катода при

В > В

от

область падения скорости плазмы находится ближе к катоду. Отметим, что

при давлениях остаточного газа более 0,1 Па скорость распространения фронта

плазмы от катода к аноду не зависит от магнитного поля (В = 6-27 кГс) и постоянна

по радиусу.

В диоде с трубчатым катодом движение плазмы в сторону оси диода принци-

пиально отличается от ее движения в сторону анода [29]. Если во втором случае

существует оптимальное магнитное поле, при котором у

минимальна, то в пер-

вом - скорость плазмы постоянно уменьшается с увеличением магнитного поля в

диапазоне В = 3-27 кГс. При больших магнитных полях В > В

0ПТ

скорость плаз-

мы в сторону оси диода и

сИх^.

Так, для алюминиевого трубчатого катода

(г

= 3,0 см, А= 2,6 см) при В = 27 кГс значение « 8-Ю

см/с в среднем по

расстоянию 8 = 0,9 см. С заменой трубчатого катода на торцовый (со сплошной

торцовой поверхностью) у

<910

см/с в сторону оси диода уменьшается при-

мерно в 4 раза. При этом вдоль торца катода на порядок меньше скорости

пробоя диода

сИ1

Последнее указывает на то, что контакт плазмы с проводящей

поверхностью вдоль магнитного поля приводит к ее существенному торможению

поперек магнитного поля.

Скорость движения катодной плазмы вдоль магнитного поля щ измерялась с

помощью фотоэлектрической методики [3], СВЧ-интерферометрии [31] и емкост-

ными делителями напряжения [3]. При использовании СВЧ-интерферометра вось-

мимиллиметрового диапазона [31] можно было регистрировать концентрацию

плазмы п > 10

см

-3

, что позволяло проследить движение периферийных слоев с

низкой концентрацией. Емкостными делителями напряжения, установленными

вдоль трубы дрейфа, обычно измеряют разность потенциалов между электронным

пучком и трубой дрейфа А11

, которая меньше приложенного к диоду напряжения.

При подходе катодной плазмы к емкостному делителю амплитуда сигнала на нем

возрастает до значения, соответствующего напряжению на диоде. По перегибу на

осциллограмме сигнала с емкостного датчика определяют время подхода к нему

508

Глава 25. Трубчатые электронные пучки

плазмы, переносящей потенциал катода. Скорость распространения коллекторной

плазмы вдоль магнитного поля измерялась также с помощью фотоэлектрической

методики [3] и СВЧ-интерферометрии [31]. Несмотря на относительно небольшое

количество используемых методик, в экспериментах удалось выделить роли катод-

ной и коллекторной плазмы в пробое диода, а также проследить динамику разлета

катодной плазмы поперек и вдоль магнитного поля.

Длительность импульса тока пучка, формируемого в КДМИ, может ограничи-

ваться также пробоем вдоль магнитного поля. Изучению механизма вакуумного

пробоя промежутка катод-коллектор и динамики движения катодной плазмы вдоль

однородного магнитного поля посвящены работы [3, 31]. Наиболее полно исследо-

ван продольный вакуумный пробой в диодах с трубчатыми катодами (С, А1) внеш-

ним радиусом г

= 3,0 см (А = 2,6 см). На диод подавался импульс напряжения ам-

плитудой

= 200 кВ и длительностью

« 3,5 мкс, ток пучка составлял 1

«1,5 кА.

Расстояние изменялось с помощью подвижного коллектора. Магнитное поле варь-

ировалось в пределах В = 3-27 кГс, давление остаточного газа 10~

— 10

-1

Па. Для

исследования распространения катодной плазмы, а также образования и разлета

коллекторной плазмы использовались система из пяти емкостных делителей

напряжения, установленных последовательно в трубе дрейфа, и фотоэлектрическая

методика. С помощью этих методик были измерены времена запаздывания появ-

ления катодной плазмы на различных расстояниях от катода, а также времена ком-

мутации промежутка катод-коллектор (рис. 7).

Все измерения выполнены с графитовыми катодами и коллектором в магнит-

ном поле 5=18 кГс. Из полученных результатов (рис. 7) следует, что фронта

катодной плазмы, измеренные двумя методами, согласуются между собой и с

временами коммутации для различных расстояний катод-коллектор (/

/*ц »

« (1-1,6)-10

см/с). Увеличение давления остаточного газа от Ю

-3

до Ю

-1

Па при-

вело к некоторому (на 20-30%) увеличению Ц

= 20 см). При этом возросло также

Рис. 25.7. Зависимость времени запаздывания появления катодной плазмы измеренного

ФЭУ (1-4) и емкостными делителями напряжения (5), от расстояния до графитового катода,

а также времени коммутации вдоль магнитного поля (б) от расстояния катод-коллектор.

В = 18 кГс,р =

«Ю

-3

Па.

Г: 1

- \00Г

,2 -

ЗР

, 3

- 1,5Р

, 4-Р

$ 25.3

Катодная плазма в магнитном

поле 509

и /

. Измерения по фотоэлектрической методике показали, что время запаздывания

появления плазмы на коллекторах из графита и нержавеющей стали равно соответ-

ственно 1,2 и 0,25 мкс, а скорость распространения вдоль магнитного поля состав-

ляет около 510

см/с в обоих случаях. Плотность мощности пучка на коллекторе

была порядка 10 МВт/см

. Скорость коллекторной плазмы, измеренная [31] СВЧ-

интерферометром при близких условиях эксперимента, составила (6-7)-10

см/с.

При мегавольтных напряжениях на диоде и плотности мощности пучка на коллек-

торе примерно 1 ГВт/см

существенного влияния коллекторной плазмы на пробой

вдоль магнитного поля не обнаружено [3]. Таким образом, пробой промежутка ка-

тод-коллектор в однородном магнитном поле определяется распространением

плазмы, образующейся на катоде в процессе взрывной эмиссии электронов.

Использование фотоэлектрической методики позволило проследить динамику

разлета катодной плазмы с различной яркостью свечения. Из полученных данных

(рис. 7) [3] следует, что скорость периферийных слоев плазмы щ возрастает с уда-

лением от катода, т.е. плазма движется ускоренно. Так, на участке г = 0-1,8 см

среднее значение 1/ц= 7-10

см/с и 3-Ю

см/с, а на участке г = 7,5-17,5 см имеем

щ »(1,7-2,5)10

см/с. На больших расстояниях от катода

1>ц

«1,6-10

см/с. Близ-

кие значения скорости фронта плазмы щ «(1-2)-10

см/с получены с помощью

СВЧ-интерферометрии [31]. Скорость внутренних слоев плазмы практически по-

стоянна и равна примерно 2,6-10

см/с.

Из сравнения значений щ

полученных емкостными делителями напряжения

при одинаковой геометрии КДМИ, но разных токах пучка (1,5; 4 и 10-20 кА), сле-

дует, что скорость фронта катодной плазмы возрастает с увеличением тока и дос-

тигает

^н

«10

см/с при Д «10 кА. При дальнейшем повышении тока 1>ц не уве-

личивается, однако при этом сокращается область ускоренного движения плазмы

вблизи катода. Результаты измерений времени запаздывания появления катодной

плазмы от расстояния до катода при 1

>10 кА приведены на рис. 8. Таким обра-

зом, в движении катодной плазмы вдоль магнитного поля можно выделить две со-

ставляющие: гидродинамический разлет с постоянной скоростью (2-2,6)-10

см/с и

ускоренное движение.

2 [СМ]

Рис. 25.8. Зависимость времени запаздывания появления катодной плазмы от расстояния до

катода.

кА, С/= 0,9 МВ (7) и 20 кА, 1,3 МВ (2)