автореферат диссертации по электронике, 05.27.02, диссертация на тему:Генерация сильноточных электронных пучков большого сечения в ускорителях на основе ГИН с вакуумной изоляцией

РОССИЙСКАЯ АКДЩШЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ склшоточноа ЭЛЕКТРОНИКИ

На правах рукописи Для служебного пользования Экз.

Логагав Сергей Васильевич

УЖ 537.533.3

генерация шяш0т0чшх электронных пучков большого сечения .

в шоштш нд основе пш с вакуумной юоляшей

05.27.02 - вакуумная и плазменная электроника 01.04.13 - электрофизика'

АВТОРЕФЕРАТ лпссэртэцаз на соискЕпет ученой сгепенн хкусшта фазтао-матекатическшс нвук

ТОМСК - 1992

Работа выполнена в Институте сильноточной елвктрснщки Сибирского отделения Российской Академии наук, г. Томск

НАУЧНЫЕ РУКОВОДИТЕЛИ: члеа-корресгондент РАН

Бугаев С.П.

кандидат физико-математических наук Абдулиин Э.Н.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ: доктор технических наук профессор ,

Усов D.Q.

(НИИ ядерной физики при ТПУ, г.Томск)

доктор фззнко-матоиатических наук Быстрвдкий В.Н.

(Институт электрофизики УрО РАН, г.Екатеринбург)

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ: Институт ядерной фгзикг СО РАН,

г.Новосибирск-

Защита диссертации состоится 'Il " omtiS^x . 1992 г. в ig часов на заседании специализированного совета Д.003.41.01 при Институте сильноточной электроники СО РАН. (634055, г.Томск - 55, Ер.Академический, 4)

. С диссертацией ьюзшэ ознакомиться в библиотеке Института сильноточной электроники СО РАН.

Автореферат разослан " 15 * мая 1992 г.

Ученый секретарь специализированного Совета доктор физико-математических наук/"/

Д.й.ПроскуровсккЕ

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. теш

Сильноточные электронные пучки большого сечения (ПБС), формируемые в диадах со взрывной эмиссией, используются для генерации мощных импульсов рентгеновского излучения, нагрева плазмы, возбуждения активной среда газових лазеров, а также в различных областях техники к технологии. При энергии электронов ~ 0.5 ?,!эВ и виза, плотности тока ~ 10 - 100 ¿/см2 и площади поперечного сечения ~ 103 - 10* см2 собственное магнитное поле пучка является основным фактором, ограничивающим величину тока. Для предотвращения сжатия пучка обычно применяет1 наложение -на область диода внесшего ведущего магнитного поля, что требует значительных энергозатрат и увеличения габаритов установки. Другой возможностью увеличения тока является секционирование диода на магнлтоизолиро-'ванные с током меньше критического.

В современных ускорителях ПБС для возбуждения газовых лазеров напряхепие к диоду подается от промежуточных накопителей, заряжаемых генератором Маркса с масляной изоляцией. Такая схе?.*а позволяет получать на диоде прямоугольные импульсы напряжения, но приводит к усложнению ускорителя и ухудшению его весо-габаритных .характеристик. В ИСЭ СО РАН под руководством Б.М.Ковальчука разрабатываются ускорители на основе мощных малоиндуктиьннх ГИН' с ззкуугжой изоляцией. Использование таких -генераторов позволяет значительно упростить конструкции ускорителя, однако получение пучка з вывод его из диода усложняется из-за отличия формы им-пульсз напряжения от прямоугольной з увеличения длительности импульса тска до единиц микросекунд.

!!зученпе закономерностей формирования ИБС с током порядка Гфктического тока диода в отсутствие внешнего магнитного шля в ускорителях на основе ГИН с вакуумной изоляцией важно для разработки простых я надежных источников ПБС» Результаты отих исследований представляю? интерес такке для поникания механизма пробоя олектровакуумаоЯ изоляции.

Пзли работы

1. Исследование формирования элзктрсгиш: ПБС в вакуумгом ,плоде в отсутствие внешнего ведущего магнитного поля яри величине тока порядке критического токэ диода.

2. Разработка взрнвозшссюжых диодов и получение ПЕС в ус-

корм-елях на основа мощных малоандуктизЕнх гоноратороз .Маркса с вакуумной изоляцией.

Научная воеизнз

1 « Исследована зависимости тока диода с острийным или лззвкй-ннн катодом от еысоты эмиттера h над катодной плоскостью и радиуса, катодной плазш г. Найдены приближенные соотношении для тока диода с острийшм и лезвийным катодом в зависимости от h а г.

2. Провзденн численные расчеты к экспериментальные исследования сильноточных диодов с ыноголезвлйшйга и квазшиоскики катода-га,- в которых за счет формц катода создаются поперечные электрические поля, позволяющие при сравнимых налрязсенностях собственло-

■ го магнитного поля на периферия пучка к ускоряющего электрического поля получать ПЕС с током порядка критического тока диода.

3. Выполнены исследования эмиссионных свойств катодов с гладкой эмиссионной поверхностью из бархата, карботекстима, углегра-фитового войлока в мик]х>секундпом диапазоне длительностей электронного пучка и продемонстрирована перспективность их применения для изготовления катодов широсекундаах электронных источников при величине электрического поля в диоде ~ 105 В/см.

4. Показано, что первеанс мккроевкундного вакуумного диода при плотности тока - 10 - 50 А/см2 превышает расчетное, значенко из закона "стелена 3/2" в t.3 - 1.7 раза, что обусловлено частичной коьстенсацией объемного заряда пучка в результате ионизации десорбированного с анода газа.

5. Экспериментально исследована возможность отключения тока в широкоапертурном сильноточнс: вакуумном триоде с сечениеи пучка ~ 1500 см2 при напряжении ~ 500 кЕ.

Научная и практическая ценность

t. Результаты работы вносят вклад в понимание закономерностей: формирования сильноточиых.микросекувдша электронных ПБС в диапазоне токов, близких к критическому току диода.

2. Даш практические рекомендации по проектированию, изготовлению, выбору материалов сильноточных источников ПБС. Они используются в ИСЭ СО РА1{ при разработке ускорителей для возОузгдения газовых лазеров.

3» В электронных источниках со взривоэмиссионным катодом получены пучки сечением до 2-.5.103 см2, энергией- электронов до 600 кэВ8 током G0 - 70 кА, длительность» 1.5-2 икс. Реализована параллельная работа двенадцати -таких источников, при зток полный

- s -

то к составил ~ 0.7 ?'А„ а жоргия пучка ~ 170 гДк.

Тезксн, вкноспк-ле на защиту

1. Порвете взриво эмиссионного диода с острийт^ ш лезвийным катодом существенно зависит от высоты эмиттера над катодной плоскостью к слабо зависит от радиуса катодной плазмы.

2. Путем подбора конфигурации электрических шлей в сильноточном вакуумном диоде можно сформировать электронный пучок большого сечения с траекториями, близким! к перпендикулярным поверхности анода, с тсксм порядка критического тока диода.

3. В диоде со взривоэьшссиокпнм катодом возможна генерация электронных пучков длительностью до 1.5 - 2 мкс с зшргиэй электронов ~ 0.5 - 0,6 МэВ, плотностью тока ~ 10 - 60 А/см2 и лепэ-рэчлкм сечением до ~ 2.5-Ю3 см2. Величина тока пучка превышает расчетное значение для вакуушого диода в 1.3 - ! ,7 раза из-за газовыдолекия с анода.

А. Во взрнвоеыиссиошюм вакуумном триоде возмокно отключение сильноточного ПВС с энергией электронов ~ 0.5 МэВ» током ~ 35 кА путей замыкания управляющей сотки на катод и получехше импульсного двукратного умножения напряжения.

5„ Экспериментально доказана возможность устойчивой работы мощных малоиндуктивных ГШ с вакуумной изоляцией. Устойчивость вакуумной изоляции к пробоям достигается при токе разряда, большем минимального тока магнитной самоизоляции.

Апробация работы

Результата работы опубликована в 4 статьях в центральной печати» тезисах 3 докладов и 2 научно-технических отчетах. Материала диссертации докладывались на 1П Всесоюзном сюяюзиумэ по сильноточной электронике (Томск, 1988) и на ZS Международной Pulsed Power конференции (San Diego, 1991).

Структура диссертации

Диссертация содержит 124 страницы машинописного текста, 37 рисунков, 4 таблицы a состоит из введения, четырех глав, заключения s списка литературы из 111 наименований.

СОДЕШАБИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, дается краткое содержание диссертация по главам и формулируются положения, которые .выносятся на ззлюту.

_ б -

В первой главе изложен обзор литературных источников по проблеме получения ПБС о током порядка критического тока диода.

Из обзора следует, что формирование электронных ПБС детально исследовано при плотностях тока до 10 А/см2 и напряжениях до ЗСО кВ или при малых длительностях импульса. При увеличении плотности тока до - 10 - 100 А/см2 и сечения пучка до ~ 103 - 10d см2 достаточно сложной"является задача выбора материала и геометрии катода. Применение для изготовления эмитирующей поверхности катода нетрадиционных материалов типа углеграфитового войлока, карботек-стима и бархата в источниках ПБС микросекундного диапазона нузда-ется в экспериментальной проверке.

При увеличении напряжения на диоде возрастает влияние собственного магнитного поля на формирование пучка, действие которого теоретически и экспериментально изучено лишь для осескмметрпч-ных диодов с большим аспектшм отношение!,;. Диода с - ленточным;! одчкамг с током порядка критического не поддаются шмтчзтщ описание, в связи с чем возникает необходимость проведения численных расчетов таких диодов. Выполнение этих расчетов позволяет установить закономерности формирования структуры пучка, что ваяно прп роаенш практических задач, например, при получения пучков с равномерным распределением плотности тока на аноде.

До последнего времени длительность ишульса сильноточных ПБС изменялась в пределах от десятков до сотен наносекунд к ограничивалась параметрами промежуточного накопителя. Возможность получе-апя сильноточного пучка пржоугольного сечения в отсутствие ведущего магнитного поля, а. такте быстрого накопителя в цепи питания не исследовалась. 3tsi условия соответствуют более простои схеме электронного источника, однако форлзгрованже пучка усложняется. Причиной этого является как отсутствие внешнего магнитного поля, так и усиление роли плазменных процессов в диоде из-за увеличения длительности импульса электронного тока.

В конце главы сфор«ул:*рована задачи работы:

1. Исследование нервеанса ЕЗрывоэмиссионного диода к структу-- ры пучка при плотностях тока ~ 10 - 50 А/см2 к шкросекушщой

длительности импульса.

2. Исследование влияния собственного магнитного поля нз структуру пучка большого сечения и изучение возможности увеличения тока диода в отсутствие ведущего магнитного поля.

3. Разработка Бзривоэшссисшшх катодов и получение электронных ПВО !03 - !0Д см2) на ускорителях с вакуукной взоляшэ£

мощных малоиндуктишшх генераторов Маркса.

Во второй главе приводятся результаты численных расчетов сильноточных диодов для формирования ПБС, выполненных при помощи пакета прикладных программ P0ISS0H-2.

В §§1 - 3 содержатся результаты расчетов тока и структуры пучка в даодах с острийными и лезвийными эмиттерами. Установлено, что ток диода существенно зависит от высоты эмиттера h над плоскостью катода. Предлагается приближенный метод расчета тока диода, основанный на предположении, что электроны движутся по силовым линиям электрического поля, при этом каждая из трубок тока является элементом сферического или цилиндрического диода. Для области значений r/d = Í0.015 - 0.03} получены формулы для оценки тока пучка, учитывающие зависимость от h. Для острия с радиусом эмитирующей сферы на вершине г ток диода

h/d г 6г/1-{1+0.9 h/d) I = 1.5-Ю-5 U3/2- 10.5 + - { 1 )

1 + 1.8 h/d L 1 + 1.8 h/d -I

при h < 0.251 н '

I = 1.5*1 Q~s O3/2[0.2+0.1*ln(h/d)1/2 + -g-(1.8-0.5(d/h)1/a)]( 2 )

при h > 0.25d, где d - расстояние от вершины острия до анода. Для диода с лезвийным эмиттером длиной L при размере цучка на аноде, большем межэлектродного зазора, ток диода

¿¡Л

I = 4.7-10-6 + 7.3(r/d}г - 0.4d/rn - 0.8-g—] ( 3 )

Гп

В отличие от ранее полученных результатов в формулах .(1 - 3) присутствует зависимость тока от высоты эмиттера. Для лезвийного катода при вычислении тока размер пучка на аноде определялся по формуле

Гц * 2(hd)1/2[t - -j-(f + d/3h) (а + 2(2а)1/г vj], < 4. )

а = eU/nc2-ft/(h + d), v = D/(h + d)H,

учитывающей влияние собственного магнитного поля пучка Я.

Значения тока по (1) - (3) находятся в хорошем соответствии с результатами численных расчетов. Характер полученных зависимостей соответствует поведении тока в численных расчетах при варьировании hir.

В §§4 - 5 приводятся результаты расчетов диодов с многолезвийными. и квазиплоскими катодами.

В диоде с многолезвийным катодом за счет геометрии эмиттеров создается значительная компонента поперечного электрического поля, препятствующая гошчеванию пучка- Для диода с катодом, содержащим 5 лезвий высотой 3 см на расстоянии 6 см друг от друга, при зазоре между лезвиями и анодом 4 см, ускорящем напряжении 800 кВ и радиусе плазмы 6 № расчетный ток ~ 270 кА и превышает критический ток эквивалентного диода в ~ 1.5 раза. Под эквивалентным понимается^ диод с ллоскопараллелъшми электродами и зазором йдКВ» в котором по закону "трех вторых" можно ожидать тот же ток при том же поперечном размере катода. Использование многолезвийного катода позволяет, таким образом, увеличить ток диода. Действие магнитного шля пучка приводит, однако, к существенному отличив характера движения электронов с внешних лезвий по сравнению с траекториями в центре диода и формированию неравномерного распре-' деления плотности 'тока. на аноде. Углы падения электронов на анод заметно отличаются от нормального. Эта факторы ограничивают область применимости многолезвийных катодов, поскольку могут создавать дополнительные трудности при выводе пучка из диода через фольговое окно.

В диодах с квазшшэскиы катодом при отношении полуширины катода к зазору «2 в результате выбора профиля эмитирующей- поверхности, позволяющего усилить поперечную составляющую электрического поля на периферии катода и обеспечить к краю пучка-'увеличение угла между направлением вылета электронов и плоскостью симметрии диода, формируется'пучок с неравномерностью распределения плотности тока на аноде ~ 303 и нормальным падением электронов на анод. Ток диода при этом - (0.6 - 0.8) критического тока. Образование на аноде плазмы и ионный ток с анода приводят к увеличению тока диода и сжатию пучка.

В шестом параграфе приведены результаты расчетов распространения пучка в пространства дрейфа. Вследствие действия магнитного поля в дрейфовом пространстве возникает неламинарность потока электронов и происходит возврат части пучка в диод, что приводит к частичному подавлению эмиссии катода и уменьшению тока диода. Восстановление эмиссионной способности катода и тока диода возмогло за счет размагничивания пучка путем секционирования области дрейфа.

В третьей главе описаны ускорители электронов и методики измерений параметров электронных пучков.

В первом параграфе приводится описание конструкций ускорите-

лей на Сазе ГИК с вакуумной: изоляцией с прямоугольной и цилиндрической колоннами генератора. Применение вакуумной изоляции позволило существенно улучшить весо-габаритные характеристики ускорителя и, исключив изолятор на полное выходное напряжение, разместить катод непосредственно на последней ступени генератора, что дает значительное уменьшение индуктивности токоподвода к диоду.

Второй параграф посвящен анализу устойчивости к пробоям вакуумной изоляции ГИН. На основании экспериментальных данных делается вывод об устойчивой работе генератора при условии превышения током разряда минимального тока магнитной самоизоляции

I --уЗ 1п(7 4- (7* - 1),/а),

т1п Ш(г /г ) * * * * в

)3/г Ш(7*+(т|-П1/г), где г1 - радиус колонны генератора, г2 - радиус стенки вакуумной камеры, 7=1+ еи/тсг, 0 - выходное напряжение генератора. При токе разряда больше 1т1л подавляются утечки тока с колонны ГИН на стенки вакуумной камеры.

В третьем параграфе дается описание конструкций вакуумных диодов для получения ПЕС. В экспериментах применялись многоос-трийные и квазишгаскив катода. Эмитирующая часть квазиплоских катодов выполнялась из угле графитового войлока, карботекстима и бархата. Ширина эмитирующей часта изменялась от 11 до 23 см, длина от 81 до 90 см. Анодом диода служила плоская пластина нержавеющей стали или поддерживающая структура выводного окна размерами 25 х 100 см2 в виде щелевой решетки с геометрической прозрачностью 85 или и радиусами кривизны 528 и 310 мм, соответственно. На ребрах решетки вакуувдлотно закреплялась фольга из гитана или нержавеющей стали толщиной 30 - 40 мкм или сплава АМГ-2 толщиной 50 мкм.

Алгоритм расчета параметров и режимов работы генератора с вакуумной изоляцией изложен в четвертом параграфе. Определенные из опыта короткого замыкания'параметры ГИН с прямоугольной колонной составили: емкость в ударе С = 68 нФ, индуктивность Ь = 0.3 мкГн, внутреннее сопротивление И^ = 1.6 Ом. Для ГИН с круглой колонной емкость, индуктивность и внутреннее сопротивление равны 54 нФ, 0.63 мкГн, 2.5 Ом. Для генератора с круглой колонной при зарядном напряжении 90 кВ в диапазоне сопротивлений нагрузки (2 -4 )рг где р - волновое сопротивление ГШ, максимальное напряжение на нягрувке итят изменяется от 480 до 620 кВ, а ток от 70 до 45

кА, соответственно. Максимальная мощность развивается при сопротивлении нагрузки 2р и составляет ~ 34 ГВт. Для ГИН с прямоугольной колонной при зарядном напряжении 100 кВ увеличение сопротивления нагрузки с 3 до Бр приводит к увеличению Umax с 550 до 650 кВ и соответствующему уменьшению тока с 85 до 60 кА. К.п.д. передачи энергии в нагрузку в диапазоне сопротивлений (2 - 4)р достигает ~ 0.7 к моменту времени 0.6 мкс. Ток разряда при этом больше минимального тока магнитной самоизоляции и обеспечивает устойчивость к пробою вакуумной изоляции генератора.

В пятом параграфе дается описание системы регистрации сигналов с датчиков тока и напряжения, метода измерения параметров ПБС. Энергия пучка и распределение плотности энергии за фольгой измерялось посредством набора калориметров Т1Ш-2М. Полная приемная поверхность калориметров образовывала прямоугольник со сторонами 24 х 48 см2 и перекрывала примерно половину шюшада выводного окна. При помощи тепловизора ТВ-ОЗ снимался тепловой автограф пучка. Энергия, вкладываемая в газовый объем, оценивалась из показаний датчика давления на основе механотрона 6ЭДХ-ЗБ.

В последнем параграфе главы описаны результаты испытаний работы ГИН с вакуумной изоляцией на диод со взрывоэмиссионным катодом. Изменение сопротивления диода посредством увеличения мек-электродного зазора с 56 до 103 мм сопровождается ростом напряжения с ~ 600 до ~ 800 кВ. Максимальная энергия пучка достигала ~ 17 кДк к моменту времени ~ 1 мкс при зазоре 72 мм, при этом энергия, накопленная в конденсаторах ГИН, ~ 22 кДж. При напряжении на диоде 800 кВ ток разряда примерно вдвое меньше минимального тока магнитной самоизоляции. Это приводит к увеличении вероятности пробоя вакуумной изоляции, что сопровождается уменьшением длительности импульса и энергии пучка. Рекам работы генератора и к.п.д. передачи энергии в диод существенно зависят от состава смеси в разрядниках генератора. Увеличение процентного содержания элегаза в смеси приводит к увеличению времени срабатывания генератора и снижению его выходках параметров.

В четвертой главе изложены результаты исследований эмиссионных свойств катодов и экспериментов по получению ПБС.

Первый параграф посвящен сравнительному анализу эмиссионных свойств многоострийных и квазишюских катодов и выбору типа катода. Наиболее быстрый рост первеанса диода в течение импульса имеет место в случае использования острийных катодов из графита и лезвийных с лезвиями из фторопласта. Наименьшей скоростью роста

первеанса характеризуется работа диодов с квазкшоскими катодами с эмитирующей поверхность» из бархата или углеграфитового войлока. Время формирования эмиссионной плазменной граница у таких катодов мало: первеанс достигает квазистационарного значения через -v 100 не после начала протекания тока. Малое время формирования эмиссионной границы в диоде со взрывовмиссионным катодом, а также малая скорость роста первеанса обусловлены большим числом эмиссионных центров, одновременно функционнрукщих па катоде. В диода с катодом из войлока количество,- эмиссионных центров велико из-за присутствия множества микроскопически тонких графитовых волокон на поверхности и высокого объемного сопротивления материала ( ~ 100 Ом•см ), что стимулирует образование новых центров в процессе рЕ.'эта катода. Влияние бархатного покрытия заключается, го-види-моыу, в усилении электрического поля на поверхности металла в области контакта с диэлектриком и в увеличении благодаря этому числа эмиссионных центров. Поступление плазмы металла непосредственно з межэлектродний зазор сквозь покрытие затруднено» в результате имеет место стабилизация первеанса в течение импу^са. Образованию сплошной эмиссионной поверхности способствует, вероятно, и наличие адсорбированного в объеме бархата газа. Рост первеанса в кзззястацяонарной фазе соответствует заполнению плазмой меязлектродкого зазора со скоростью ~ 5•!О5 см/с. Малое время формирования катодной плазмы .и ее однородность на квазяплоских катодах позволяет использовать их для получения ПЕС емэсто традиционных многоострийннх катодов вплоть до плотностей тока ~ 100 А/см2 при микросекундных длительностях .импульса.

Во втором параграфе описываются результаты экспериментов по получению пучков сечением ~ 25 * 100 см2 с током до 100 кА. При напряжениях на диоде 400 - 600 кВ и межэлектродном зазоре 4-7 см пробоев диода на происходит, а длительность импульса ~ 1.5 - 2 мкс я ограничена разрядом генератора. Амплитудное значение тока достигается за ~ 150 - 200 не, запаздывание максимума тока относительно максимума напряжения ~ 50 не. Максимальная вдность пучка развивается к моменту времени ~ 160 не, длительноссть импульса мощности на полувысотз ~ 400 не. Показано, что путем выбора геометрических размеров катода можно обеспечить хорошее согласование диода с генератором для получения максимального к.п.д. ускорителя. Из сопоставления результатов экспериментов с расчетными значениями тока по закону "трех вторю." следует, что при плотности тока "10-50 1/са2 ток диода превышает расчетные значения в 1.3

-1.7 раза. Такое превшею» экспериментальных значений тока над расчетными трудно объяснить движением катодной плазмы, поскольку время; до максимума тока мало. Более вероятной причиной увеличения тока является частичная компенсация объемного заряда пучка в результате ионизации десорбированного с анода газа. Сравнение тока диода с критическим током показывает, что формирование пучка происходит в условиях приблизительного равенства собственного магнитного поля на границе пучка и ускоряющего электрического шля.

Вахным фактором, ограничивающим возможность получения ленточного ПБС, является магнитное поле токоподвода к диоду. В ускорителе с цилиндрической колонной ГШ пучок сечением ~ 25 «100 см2 получен с катода, опущенного с потенциального электрода ГИН вниз вдоль его оси с помощью консоли. Энергия электронов ~ 0.6 МэВ, ток пучка ~ 60 кА. При такой конструкции диода и такой величине тока в верхней части диода возникаем магнитное поле, способное обеспечить условия для возникновения магнитной самоизоляции электронного штока в ускоряющем промежутке. Это приводит к подавлению тока в центральной части диода и неравномерности плотности тока на аноде. Ослабление влияния магнитного поля токоподвода к диоду достигалось путем увеличения поверхности контакта катода с выходной ступенью генератора. Таким способом удалось получить однородный пучок с плотностью тока ~ 25 А/см2. Результаты этих экспериментов описаны в третьем параграфе главы.

Сделанный в §4.2 вывод о влиянии анодных процессов на протекание тока в диоде подтверждается результатами измерений распределения энергии по сечению пучка за анодной фольгой, изложенными в четвертом параграфе. Полученное распределение плотности энергии характеризуется большей неоднородностью, чем расчетное распределение плотности тока в отсутствие ионов в межэлектродном промежутке. Неравномерность распределения энергии может быть обусловлена наличием в даоде ионного потока с 'анода, плотность которого максимальна в центральной части диода.

Эксперимента показали, ч-о в случае использования Т1 фольги и катода с покрытием из углеграфитового войлока коэффициент прохождения пучка по энергии составляет ~ O.G. Без разрушения анодной фольги в газовый объем выведен пучок с энергией ~ 10 кДк. Коэффициент прохождения пучка через выводное окно по току Itj ~ 0.6 -0.7 и зависит от давления газа за фольгой. При напряжениях на диоде ~ 300 кВ, мекэлектродаом зазоре 40 мм и длине области дрейфа ~ 50 мм наблюдалось увеличение kj на ~ ЮЖ при повышении дав-

ления гзза от Ю-1 до 2 атм. Одновременно происходил рост тока в диоде с 60 до 70 кА. Наблюдаемые явления могут быть связаны с увеличением отрицательного объемного заряда в диоде в результате возвращения часта электронного пучка из заанодного прЬстраяства при давлении газа ~ 10~1 атм.

Для возбуждения газовых лазеров перспективно применение коаксиальных диодов с радиальной инжекцией пучка в газовый объем. При этом достигаются хорошая однородность накачки и улучшаются оптические характеристики излучения. Результаты исследований по генерации радиально сходящихся пучков с энергией электронов 500 - 600 кэВ, токами ~ 60 кА и ~ 0.7 МА изложены в §4-5.

Пучок с энергией электронов ~ 0.S Мэв и током ~ 60 кА получен в коаксиальном диоде длиной ~ 1 м с диаметрами катода к анода ~ 350 - 390 и 225 - 250 мм* соответственно. Энергия пучка в диоде достигала величины ~ 12 кДк при зарядном напряжении 90 кВ.

Для получения пучка с током ~ 0.7 МА использовался многомодульный ускоритель, состоящий из 6 идентичных модулей, расположенных по азимуту вокруг газового объема диаметром 620 мм„ Такая компоновка ускорителя обеспечивала магнитную изоляцию модулей друг относительно друга. В отдельном модуле на базе двух генераторов с прямоугольной колонной, установленных в одном баке, формировался пучок сечением '25 х 200 см2 с током ~ 120 кА и энергией ~ 30 кДж. Для получения пучка использовался катод из карботекстя-ма, покрытого бархатом, поскольку в случав открытой поверхности карботекстима имело место затягивание фронта импульса тока. Формирование пучка в единичном модуле происходит в тех «а условиях по магнитному полю, что и в случае использования одного ГИН. При срабатывании 6 модулей энергия пучка в диоде ~ 170 кДж. Энергия, вкладываемая в газ при начальном давлении 3 атм» достигала ~ 70 кДж. ЭДхзктивность использования пучка для возбуждения газа составляет , таким образом, ~ 40&.

В шестом параграфе описаны эксперименты по исследований возможности обрыва тока и получения высоковольтного импульса напряжения в схеме, состоящей из ГИН с круглой колонной и триода с управляющим электродом в виде сетки, находящейся под плавающим потенциалом. Эти эксперимента представляют интерес для увеличения мощности пучка. За ~ 100 не ток разгоняется до ~ 35 кА и сетка принимает потенциал ~ 200 кВ„ При закорачивании промежутка катод - сетка с помощью разрядника величина возникающего на аноде напряжения определяется скоростью обрыва тока и индуктивностьи ге-

- и -

нератора, достигая ~ 1 МВ, Коэффициент импульсного умножения напряжения и ограничен появлением на сетке эмиссионных центров и скоростью коммутации в цепи управления в момент срыва тока.

В заключении сформулированы основные результаты работы.

1. Показано влияние высоты ■ взрывоэмиссионного эмиттера над подложкой на величину шрвеанса диода. Получены и проверены в численных расчетах формулы для тока диода в зависимости от высоты эмиттера и радиуса эмиссии катодной плазмы.

2. Показана возможность компенсации искажения апертуры ПБС в сильноточных диодах с токами порядка критических путем подбора геометрии диода, в которой поперечные электрические поля препятствуют шнчеваяию.

3. Изучены эмиссионные характеристики катодов на основе бархата, угдеграфзтового войлока н карботекстнма в микросекундах диодах в диапазоне плотностей тока 13-50 А/см2. Ток в таких диодах превышает ленгшэровский в 1.3 - 1.7 раза, что обусловлено частичной компенсацией пространственного заряда пучка в результате ионизации десорбированного с анода газа.

4. Экспериментально доказана возможность устойчивой работа мощных малоиндуктивных генераторов с вакуумной изоляцией при токе разряда, большей минимального тока магнитной самоизоляции. На их основе реализованы ускорители с ленточным пучком с сечением ~ Б-103 см2 и энергией 30 кДж при яайряжении 600 кВ и радиально сходящимся пучком длиной ~ 1 м с током 60 кА и энергией 12 кДк при диаметре анода 25 см.

5. Экспериментально исследовано прохоадение пучка через опорную решетку и транспортировка его в газе. Осуществлен вывод в газ ленточного пучка с энергией электронов до 600 кэВ, сечением ~ 2.5-103 см2 и энергией ~ 10 кДк.

6. В условиях существенного влияния магнитного поля токопод-вода к диоду экспериментально продемонстрирована возможность его ослабления и получения ленточных ПБС за счет увеличения поверхности контакта катода с генератором .

7. Реализован вакуумный мегавольтный сильноточный триод с временами ввода тока ~ Ю-7 с и вывода энергии ~ ю-6 с для использования в качестве размыкателя в индуктивном накопителе энергии.

Список работ, опубликованных по теме диссертации.

1. Формирование аирокоапертурных сильноточных электрогшк пучков в диодах с многолезвийными катодами/ Э.Н.Абдулянн,,

B.Т.Астроллш. С.Я.Беломытцев, С.П.Бугаев, С.В.Логинов. ~ Куря, техн. физ., 1389, т.59, т, с.184-187.

2„ Абдуллин Э.Н., Логинов C.B. Формирование электронного пучка в диоде с острЮнш катодом. - В кн.: Тезисы докладов 53 Все-союзп. сямг/оз. по сильноточной олэктро;гжз. Томск, 1983, ч.И,

C.7-У.

3. /бдуллш Э.Н., Логинов C.B. Расчет варокоапертурного сильноточного РЭП в дкодо с шюголззвкЯтш катоде».«. - В кн.: Тезисн докладов 2П Всосогоп. сгсятоз. по сальвото'пгоЯ электронике. Тонек, 1 Pc2, ч,2, с.МЗ-м'ЗО.

•i. Дбдулш Э.Н., Заславский В.Н., Догклов C.B. Приближенный росчс-т токе в дгтадо со гзрпвоэетссяогныч катоде?.?. -- Изв. ВУЗов. Физика, 1992, .f2, 0.3-6.

5. Разработка зг исследования устсорктвлзт электронов с генератором К'Дт/льснсго напряжения с далтщжчвекой колонной/ Э.К.Аб-дудтаи, Г.Ф.Басов ... С.В Логипоз д др, - Отчет яройвгугочий ш х/д. 10/86-2. ЙСЭ СО Л1г СССР Г ïo?.'c:<, 1330, -73с.

6. 4<5дуддкн Э.Н., Засхэвски? В.И., Логиков О.В. Формирование »/ккрэсэкувдних элекгреннах пучков с плотностью тока 10 - 50 А/с:/ в згкуугаш ДКОД9. - Zf£iS. т охн. ¡Гл:з., ¡291, Î.61 , л в, с.207-203.

7. Генерация сильноточного шткрэ секундного электронного пучка большого сечения/ Э.Н.Абдуллин, С.Я.Бзломытцев ... С.3.Логинов и др. - сикжа плаг/v, 1991, т. 17, !'.% с.741-745.

3. Разработка п псаседовэЕкз электрогшхх ускорзтеле? для воз-бугденкя оскозного уатлиталя, устенсглол Л1М/ Э.Н.Абдулдш, Г.0. Басов ... С.Б.Логиков я др. - Отчет жгогокЛ по х/д. 10/S3-3. "СЭ СО АЯ СССР. l'o'.'C.:, Î99f, - 92с»

9. А 7асшж triode Гог fast. cut-oïî оГ current3/ B.II.Ko-vaichuic. G.A.îiesyaïs, А.й.'ВГгеаот, S.Y.Loginoy. - In.: Proc. .31! l'SSS Inter. Puis. Го'тзг Confer. San D.lego, 199t» p. 351-352,.

о

лЛ ■