RU2242062C1 - Subnanosecond electron beam generator - Google Patents
Subnanosecond electron beam generator Download PDFInfo
- Publication number
- RU2242062C1 RU2242062C1 RU2003137284/28A RU2003137284A RU2242062C1 RU 2242062 C1 RU2242062 C1 RU 2242062C1 RU 2003137284/28 A RU2003137284/28 A RU 2003137284/28A RU 2003137284 A RU2003137284 A RU 2003137284A RU 2242062 C1 RU2242062 C1 RU 2242062C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gas
- diode
- generator
- cathode
- output
- Prior art date
Links
Landscapes
- Particle Accelerators (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области формирования и генерирования пучков заряженных частиц н может быть использовано в катодолюминесцентном анализе вещества, плазмохимии, квантовой электронике и т.д.The invention relates to the field of formation and generation of charged particle beams and can be used in cathodoluminescent analysis of a substance, plasma chemistry, quantum electronics, etc.
Известен способ получения субнаносекундных пучков высокоэнергетичных электронов в вакууме и вывода его через фольгу на основе высоковольтных импульсно-периодических генераторов субнаносекундного диапазона [1]. Конструкция таких генераторов помимо традиционных элементов включает субнаносекундный модулятор, формирующий пикосекундные импульсы напряжения. Такое конструктивное решение позволило реализовать ускорители субнаносекундных пучков электронов на основе взрывной эмиссии с холодных катодов.A known method of obtaining subnanosecond beams of high-energy electrons in vacuum and its output through the foil based on high-voltage pulse-periodic generators of the subnanosecond range [1]. The design of such generators, in addition to traditional elements, includes a subnanosecond modulator that generates picosecond voltage pulses. Such a constructive solution made it possible to realize accelerators of subnanosecond electron beams based on explosive emission from cold cathodes.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является генератор электронов [2]. В данном генераторе источником напряжения является высоковольтный импульсный трансформатор, в цепи вторичной обмотки которого последовательно с камерой включен разрядник высокого давления. Разрядная емкость, образованная кожухом генератора и корпусом разрядника высокого давления, около 40 пФ, активное сопротивление, шунтирующее разрядную камеру, 200 Ом. Разрядник высокого давления выполнял функцию обострителя фронта импульса напряжения. Амплитуда импульса напряжения достигала 160-180 кВ и определялась пробивным напряжением разрядника. В качестве катодов использовались отполированные стержни из вольфрамового сплава диаметром 12-14 мм с радиусами кривизны полусферической рабочей поверхности r=3-7 мм. В отдельных экспериментах на рабочую поверхность катода наносились насечки для увеличения электрического поля у шероховатостей. Анодом служила алюминиевая фольга толщиной 8-15 мкм. Межэлектродное расстояние составляло 10-15 мм. В газонаполненном промежутке между электродами осуществлялся объемный импульсный высоковольтный разряд при давлении 10-2-760 Торр, в котором формировался пучок убегающих электронов (УЭ). Максимальный выход электронов был получен при давлении среды 20-40 Торр. При этом пучок возникает в прикатодной области разряда. Этот тип разряда реализуется в режиме высоких перенапряжений, т.e. разрядное напряжение в промежутке во много раз превышает напряжение статического пробоя. Электрическое поле в разрядном промежутке неоднородно и значительно сильнее вблизи катода. В прикатодной области отношение напряженности поля к давлению газа Е/P сравнимо с максимумом потерь энергии. В таком поле происходит переход низкоэнергетических электронов разряди в режим убегания, в результате чего они, ускоряясь, покидают прикатодную область и происходит формирование пучка высокоэнергетическик электронов.Closest to the claimed invention is an electron generator [2]. In this generator, the voltage source is a high-voltage pulse transformer, in the secondary circuit of which a high pressure spark gap is connected in series with the camera. The discharge capacitance formed by the casing of the generator and the casing of the high-pressure arrester is about 40 pF, active resistance, shunting the discharge chamber, 200 Ohms. The high-pressure arrester served as a sharpener of the voltage pulse front. The amplitude of the voltage pulse reached 160-180 kV and was determined by the breakdown voltage of the arrester. As cathodes, polished tungsten alloy rods with a diameter of 12-14 mm with a radius of curvature of the hemispherical working surface r = 3-7 mm were used. In separate experiments, notches were applied to the working surface of the cathode to increase the electric field at the roughnesses. The anode was an aluminum foil with a thickness of 8-15 microns. The interelectrode distance was 10-15 mm. In the gas-filled gap between the electrodes, a volume pulsed high-voltage discharge was carried out at a pressure of 10 -2 -760 Torr, in which a runaway electron (RE) beam was formed. The maximum electron yield was obtained at a medium pressure of 20–40 Torr. In this case, the beam arises in the cathode region of the discharge. This type of discharge is realized under high overvoltage conditions, i.e. the discharge voltage in the gap is many times higher than the static breakdown voltage. The electric field in the discharge gap is inhomogeneous and much stronger near the cathode. In the cathode region, the ratio of the field strength to the gas pressure E / P is comparable to the maximum energy loss. In such a field, low-energy electrons undergo a transition to runaway mode, as a result of which, they accelerate, leave the cathode region and a high-energy electron beam is formed.
Недостатком прототипа является малый выход количества электронов и ограничение на время существования пучка электронов t≥2 нс.The disadvantage of the prototype is the small yield of the number of electrons and the restriction on the lifetime of the electron beam t≥2 ns.
Задачей изобретения является увеличение выхода электронов н сокращение длительности электронного пучка до субнаносекундных величин.The objective of the invention is to increase the electron yield and reduce the duration of the electron beam to subnanosecond values.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является формирование высокоэнэргетичных (сотни кэВ) субнаносекундных потоков электронов (t≤1 нс) плотностью тока десятки ампер на см2 в газовом промежутке атмосферного давления и выше.The technical result of the invention is the formation of high-energy (hundreds of keV) subnanosecond electron flows (t≤1 ns) with a current density of tens of amperes per cm 2 in the gas gap of atmospheric pressure and above.
Технический результат достигается тем, что в генераторе субнаносекундных пучков электронов, содержащем газовый диод и генератор наносекундных импульсов с обострительным разрядником, высоковольтный вывод которого соединен с катодом газового диода, анод газового диода выполнен из фольги или сетки с плоским или с большим радиусом кривизны, чем у катода, согласно изобретению, емкостной накопитель генератора выполнен в виде короткой формирующей линии с длительностью импульса на согласованной нагрузке не более 1 нс, индуктивность разрядного контура и поверхность изолятора газового диода выполнены минимально достаточными для подаваемого на газовый диод напряжения, при этом обострительный разрядник обладает временем срабатывания менее 1 нc, а давление газа в диоде составляет 1 атмосферу или выше.The technical result is achieved by the fact that in the generator of subnanosecond electron beams containing a gas diode and a nanosecond pulse generator with a sharpening gap, the high-voltage output of which is connected to the cathode of the gas diode, the anode of the gas diode is made of foil or mesh with a flat or with a greater radius of curvature than of the cathode, according to the invention, the capacitive storage of the generator is made in the form of a short forming line with a pulse duration at a matched load of not more than 1 ns, the inductance is discharge and the surface of the circuit gas diode insulator formed minimally sufficient for the gas supplied to the diode voltage, the peaking surge arrester has a response time less than 1 ns, and the gas pressure in the diode is 1 atmosphere or higher.
Кроме того, в генераторе пучков электронов один вывод обострительного разрядника выполнен в виде цилиндрического стакана, образуя между корпусом генератора и внешней поверхностью вывода разрядника коаксиальную линию с малым волновым сопротивлением и основным энергозапасом, а второй вывод расположен соосно первому и выполнен в виде стержня, образуя с внутренней поверхностью первого вывода вторую коаксиальную линию с большим волновым сопротивлением и заканчивающийся катодом, выполненным в виде выпуклой таблетки из графита, размещенной в металлической оправе.In addition, in the electron beam generator, one output of the sharpening arrester is made in the form of a cylindrical cup, forming a coaxial line with a small wave impedance and the main energy reserve between the generator housing and the outer surface of the arrester output, and the second output is aligned with the first and is made in the form of a rod, forming with the inner surface of the first output of the second coaxial line with a large wave impedance and ending with a cathode made in the form of a convex tablet of graphite, placed th in a metal frame.
На фиг.1 представлена блок-схема генератора субнаносекундных пучков высокоэнергетичных электронов.Figure 1 presents a block diagram of a generator of subnanosecond high-energy electron beams.
Генератор электронных пучков включает в себя генератор наносекундных импульсов 1 с обострительным разрядником 2, высоковольтный вывод 3 которого соединен с катодом 4 газового диода. Газовый диод заполнен молекулярным или атомарным газом или газовой смесью. Анод 5 газового диода выполнен из фольги или сетки плоским или с большим радиусом кривизны. Катод 4 выполнен с радиусом кривизны, меньшим, чем анод. Емкостной накопитель генератора выполнен в виде короткой формирующей линии с длительностью импульса на согласованной нагрузке не более 1 нс индуктивность разрядного контура и поверхность изолятора 6 газового диода выполняется минимально достаточными для подаваемого на газовый диод напряжения. В генераторе установлен обострительный разрядник со временем срабатывания менее 1 нc, давление газа в диоде составляет 1 атмосфера или выше, при этом один вывод высоковольтного обострительного разрядника высокого давления выполнен в виде цилиндрического стакана 2, образуя между корпусом генератора 7 и внешней поверхностью вывода разрядника коаксиальную линию с малым волновым сопротивлением и основным энергозапасом, а второй вывод выполнен в виде стержня 3, расположенного на оси первого вывода, образующего с внутренней поверхностью первого вывода вторую коаксиальную линию с большим волновым сопротивлением и заканчивающегося катодом 4, выполненным в виде выпуклой таблетки из графита, размещенной в медной оправе.The electron beam generator includes a nanosecond pulse generator 1 with a sharpening gap 2, the high-voltage output 3 of which is connected to the cathode 4 of the gas diode. The gas diode is filled with molecular or atomic gas or a gas mixture. The anode 5 of the gas diode is made of foil or mesh flat or with a large radius of curvature. The cathode 4 is made with a radius of curvature less than the anode. The capacitive storage of the generator is made in the form of a short forming line with a pulse duration at a matched load of not more than 1 ns, the discharge circuit inductance and the surface of the gas diode insulator 6 are minimally sufficient for the voltage supplied to the gas diode. A sharp arrester is installed in the generator with a response time of less than 1 ns, the gas pressure in the diode is 1 atmosphere or higher, and one output of the high-voltage sharpening high-pressure arrester is made in the form of a cylindrical cup 2, forming a coaxial line between the generator body 7 and the outer surface of the arrester output with low wave impedance and the main energy reserve, and the second output is made in the form of a rod 3 located on the axis of the first output, forming with the inner surface of the first th second output coaxial line with a large wave resistance and ending with a cathode 4 formed in a convex tablets of graphite housed in a copper frame.
Устройство работает следующим образом. Генератор импульсов 1 заряжает формирующию линию, образованную корпусом генератора 7 и корпусом разрядника 2, которая коммутирует разрядником через передающую линию, образуемую выводом разрядника и корпусом газового диода, импульс напряжения на газовый диод.The device operates as follows. The pulse generator 1 charges the voltage pulse to the gas diode by forming a line formed by the generator housing 7 and the arrester housing 2, which commutates the arrester through a transmission line formed by the discharge terminal and the gas diode housing.
Формирование субнаносекундного электронного пучка осуществляется на фронте наносекундного импульса напряжения, пучок формируется между движущимся фронтом импульсного объемного разряда и анодом. При этом скорость распространения плазмы от катода определяется быстрыми электронами, возникающими у катода за счет усиления ноля на катоде и катодных пятнах.A subnanosecond electron beam is formed at the front of a nanosecond voltage pulse, and a beam is formed between the moving front of the pulsed volume discharge and the anode. In this case, the plasma propagation velocity from the cathode is determined by fast electrons arising at the cathode due to the amplification of the zero at the cathode and cathode spots.
Использование генератора импульсов, конструктивно выполненного в виде короткой формирующей линии с длительностью импульса на согласованной нагрузке не более 1 нс, выполнение индуктивности разрядного контура и поверхность изолятора газового диода минимально достаточными для подаваемого на газовый диод напряжения и использование обострительного разрядника со временем срабатывания менее 1 нс и катода, выполненного в виде выпуклой таблетки из графита, размещенной в медной оправе, позволило эффективно формировать субнаносекундный поток электронов в газовых средах атмосферного давления и выше. В этой конструкции в объемном импульсном разряде основная часть убегающих электронов при низких начальных значениях параметра Е/р~0,1 кВ/см×Торр (Е - напряженность электрического поля, р - давление газа) формируется в пространстве между плазмой, которая образовалась на катоде, и анодом. Катодная плазма с большой скоростью распространяется к аноду, при этом за счет перераспределения электрического поля в части газового диода достигается критическая величина Е/р, в том числе и вследствие геометрического фактора.The use of a pulse generator, which is structurally made in the form of a short forming line with a pulse duration at a matched load of not more than 1 ns, the discharge circuit inductance and the surface of the gas diode insulator are minimally sufficient for the voltage supplied to the gas diode and the use of a sharpening arrester with a response time of less than 1 ns and a cathode made in the form of a convex graphite tablet placed in a copper frame, allowed to efficiently form a subnanosecond sweat electrons in the gas environment and the atmospheric pressure above. In this design, in a volume pulsed discharge, the bulk of runaway electrons at low initial values of the parameter E / p ~ 0.1 kV / cm × Torr (E is the electric field strength, p is the gas pressure) is formed in the space between the plasma that formed on the cathode , and the anode. The cathode plasma propagates at high speed to the anode, and due to the redistribution of the electric field in the part of the gas diode, a critical value of E / p is achieved, including due to the geometric factor.
Конструкция, на которой реализован субнаносекундный электронный пучок в разряде атмосферного давления, включала генератор импульсов с волновым сопротивлением 30 Ом, напряжением на согласованной нагрузке ~200 кВ, длительностью на полувысоте ~3 нс при фронте импульса напряжения ~1 нс [3]. С этим генератором использовалась газовая камера, заполненная воздухом или азотом при давлении 760 Торр, и использовались два катода. Один катод представлял собой набор трех цилиндров из Ti фольги толщиной 50 мкм, вставленных друг в друга и закрепленных на дюралевой подложке диаметром 36 мм. Другой катод был выполнен из графита в виде таблетки диаметром 29 мм, края которой были закруглены, и обращен выпуклой стороной в сторону фольги с радиусом кривизны 10 см. Графитовый катод размещался на медном держателе диаметром 30 мм. Вывод электронного пучка осуществлялся через сетку с прозрачностью ~50% или через AlВе фольгу толщиной 45 мкм. Оптимальное расстояние анод - катод составляло 18-28 мм. Электронный пучок при давлении одной атмосферы был получен в воздухе, азоте, гелии и смеси СО2-N2-Не как в режиме однократных импульсов, так и с частотой повторения до 10 Гц. Амплитуда тока в воздухе составила 40 А, в Не 300 А. Для других газов также получены наибольшие токи для подобных условий в газовом диоде. Максимум на распределении электронов пучка по энергии для кольцевого катода при давлении воздуха в диоде (1 атмосфера) соответствовал энергии электронов ~(90-110) кэВ, длительность тока пучка для всех испытуемых газов была менее 1 нс. Для воздуха атмосферного давления при использовании генератора с волновым сопротивлением 20 Ом и импульсом напряжения с амплитудой до 220 кВ и длительностью на полувысоте ~2 нс, при фронте импульса напряжения ~0,3 нс была получена длительность импульса тока пучка 0,3 нс, ток 70 А, максимум распределения энергии электронов составил ~110 кэВ [4].The design, which implements a subnanosecond electron beam in a atmospheric pressure discharge, included a pulse generator with a wave impedance of 30 Ω, a voltage at a matched load of ~ 200 kV, a half-width of ~ 3 ns at a voltage pulse front of ~ 1 ns [3]. With this generator, a gas chamber filled with air or nitrogen at a pressure of 760 Torr was used, and two cathodes were used. One cathode was a set of three cylinders of Ti foil 50 μm thick, inserted into each other and fixed on a duralumin substrate with a diameter of 36 mm. The other cathode was made of graphite in the form of a tablet with a diameter of 29 mm, the edges of which were rounded, and turned convex side to the side of the foil with a radius of curvature of 10 cm.The graphite cathode was placed on a copper holder with a diameter of 30 mm. The electron beam was extracted through a network with a transparency of ~ 50% or through an AlВе foil with a thickness of 45 μm. The optimal anode – cathode distance was 18–28 mm. An electron beam at a pressure of one atmosphere was obtained in air, nitrogen, helium and a mixture of CO 2 —N 2 —He both in the mode of single pulses and with a repetition rate of up to 10 Hz. The current amplitude in air was 40 A, in He 300 A. For other gases, the highest currents were also obtained for similar conditions in a gas diode. The maximum in the energy distribution of the beam electrons for the ring cathode at the air pressure in the diode (1 atmosphere) corresponded to an electron energy of ~ (90-110) keV, the beam current duration for all tested gases was less than 1 ns. For atmospheric pressure air, when using a generator with a wave impedance of 20 Ohms and a voltage pulse with an amplitude of up to 220 kV and a duration at half maximum of ~ 2 ns, with a voltage pulse front of ~ 0.3 ns, a beam current pulse duration of 0.3 ns was obtained, current 70 A, the maximum electron energy distribution was ~ 110 keV [4].
Источники информации, принятые во внимание.Sources of information taken into account.
1. Яландин М.И., Шпак В.Г. Мощные малогабаритные импульсно-периодические генераторы субнаносекундного диапазона. Приборы и техника эксперимента. 2001, №3, с.5-31. 2. Л.В.Тарасова, Л.Н.Худякова, Т.В.Лойко, В.А.Цукерман. Быстрые электроны и рентгеновское излучение наносекундных импульсных разрядов в газах при давлениях 0,1-760 Торр. Журнал технической физики. 1974, т. XLIV, в.3, с.564-568. 3. Алексеев С.Б., Орловский В.М., Тарасенко В.Ф. Пучок электронов, сформированный в газонаполненном диоде при атмосферном давлении воздуха и азота. Письма в ЖТФ. 2003, т. 29, вып.10, с.29-35. 4. Тарасенко В.Ф., Яковленко С.И., Орловский В.М., Ткачев А.И. Шупайлов С.А. Получение мощных электронных пучков в плотных газах. Письма в ЖЭТФ. 2003, т. 77, вып.11, с.737-742.1. Yalandin M.I., Shpak V.G. Powerful small-sized pulse-periodic generators of the subnanosecond range. Instruments and experimental technique. 2001, No. 3, pp. 5-31. 2. L.V. Tarasova, L.N. Khudyakova, T.V. Loyko, V.A. Tsukerman. Fast electrons and x-ray radiation of nanosecond pulsed discharges in gases at pressures of 0.1-760 Torr. Journal of Technical Physics. 1974, v. XLIV, c. 3, p. 544-568. 3. Alekseev S.B., Orlovsky V.M., Tarasenko V.F. An electron beam formed in a gas-filled diode at atmospheric pressure of air and nitrogen. Letters to the PTF. 2003, v. 29, issue 10, pp. 29-35. 4. Tarasenko V.F., Yakovlenko S.I., Orlovsky V.M., Tkachev A.I. Shupailov S.A. Production of powerful electron beams in dense gases. Letters to JETP. 2003, v. 77, issue 11, p. 737-742.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2003137284/28A RU2242062C1 (en) | 2003-12-24 | 2003-12-24 | Subnanosecond electron beam generator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2003137284/28A RU2242062C1 (en) | 2003-12-24 | 2003-12-24 | Subnanosecond electron beam generator |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2242062C1 true RU2242062C1 (en) | 2004-12-10 |
Family
ID=34388739
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2003137284/28A RU2242062C1 (en) | 2003-12-24 | 2003-12-24 | Subnanosecond electron beam generator |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2242062C1 (en) |
-
2003
- 2003-12-24 RU RU2003137284/28A patent/RU2242062C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ТАРАСОВА Л.В. и др. Быстрые электроны и рентгеновское излучение наносекундных импульсов разрядов в газах при давлениях 0,1 - 760 Торр./ ЖТФ. - 1974, т. XLIV, в.3 с.564-568. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Bloess et al. | The triggered pseudo-spark chamber as a fast switch and as a high-intensity beam source | |
| Mesyats et al. | High-power picosecond electronics | |
| JP2750349B2 (en) | In particular, a plasma X-ray tube for gas laser X-ray-preionization, a method of generating X-ray radiation by this X-ray tube and its use | |
| Li et al. | Repetitive gas-discharge closing switches for pulsed power applications | |
| Tarasenko et al. | On formation of subnanosecond electron beams in air under atmospheric pressure | |
| JPS6084749A (en) | Device for generating plasma source with radiation intensityof high x-ray range | |
| Bradley | Electron-beam pumping of visible and ultraviolet gas lasers | |
| RU2242062C1 (en) | Subnanosecond electron beam generator | |
| Tarasenko et al. | Generation of X-ray radiation with a high pulse repetition rate by means of a volume discharge in an open gas diode | |
| Baryshnikov et al. | Powerful source of VUV-UV radiation based on nanosecond volumetric discharge | |
| CN104412470A (en) | Spark gap with a capacitive energy accumulator | |
| Billault et al. | Pseudospark switches | |
| Kostyrya et al. | Formation of a volume discharge in air at atmospheric pressure upon application of nanosecond high-voltage pulses. | |
| RU2244361C1 (en) | Method for generating subnanosecond electron beam | |
| RU2646845C2 (en) | Device for forming pulse of high-current electron accelerator | |
| Nazarov et al. | A source of high-density pulsed electron beams with energies up to 40 keV | |
| Li et al. | Relativistic electron beam source with uniform high-density emitters by pulsed power generators | |
| Shpak et al. | Subnanosecond front, high-voltage generator based on a combined pulsed forming line | |
| Oreshko | The combined discharge for receiving of neutrons | |
| CN214070221U (en) | 1MV pulse type portable X-ray machine | |
| RU820511C (en) | Method of producing electron beam | |
| US20160064104A1 (en) | Relativistic Vacuum Diode for Shock Compression of a Substance | |
| Tarasenko et al. | High repetition rate pulsed X-ray source employing supershort avalanche electron beams | |
| Tarasenko et al. | On the formation of nanosecond volume discharges, subnanosecond runaway electron beams, and x-ray radiation in gases at elevated pressure | |
| Kazantsev et al. | Electrode system for electric-discharge generation of atomic iodine in a repetitively pulsed oxygen—iodine laser with a large active volume |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20081225 |