RU2244361C1 - Method for generating subnanosecond electron beam - Google Patents
Method for generating subnanosecond electron beam Download PDFInfo
- Publication number
- RU2244361C1 RU2244361C1 RU2003131579/28A RU2003131579A RU2244361C1 RU 2244361 C1 RU2244361 C1 RU 2244361C1 RU 2003131579/28 A RU2003131579/28 A RU 2003131579/28A RU 2003131579 A RU2003131579 A RU 2003131579A RU 2244361 C1 RU2244361 C1 RU 2244361C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gap
- cathode
- gas
- electron beam
- discharge
- Prior art date
Links
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 title claims abstract description 20
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 12
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 claims abstract description 4
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 claims abstract description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 13
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 claims description 13
- 230000003321 amplification Effects 0.000 claims description 3
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 claims description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 abstract description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 abstract 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 18
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 8
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 3
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 2
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000737 Duralumin Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 239000003570 air Substances 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 1
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 1
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
Landscapes
- Electron Beam Exposure (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области формирования и генерирования пучков заряженных частиц и 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 электронного пучка в газовом разряде [1]. Способ заключается в том, что в газонаполненном промежутке между электродами осуществляют объемный импульсный высоковольтный разряд при атмосферном давлении, в котором формируется пучок убегающих электронов (УЭ). Пучок возникает в прикатодной области разряда. Этот тип разряда реализуется в режиме высоких перенапряжений, т.е. 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/Р) сравнимо с максимумом потерь энергии. В таком поле происходит переход низкоэнергетических электронов разряда в режим убегания, в результате чего они, ускоряясь, покидают прикатодную область, и происходит формирование пучка высокоэнергетических электронов.A known method of producing an electron beam in a gas discharge [1]. The method consists in the fact that in a gas-filled gap between the electrodes a volume pulsed high-voltage discharge is performed at atmospheric pressure, in which a beam of runaway electrons (RE) is formed. 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 field strength to gas pressure (E / P) is comparable to the maximum energy loss. In such a field, the low-energy electrons of the discharge transition to the runaway mode, as a result of which they accelerate and leave the cathode region, and a beam of high-energy electrons is formed.
Наиболее близким решением, выбранным нами за прототип, является патент на способ получения электронного пучка [2]. В прототипе между электродами газонаполненного промежутка осуществляют объемный импульсный высоковольтный разряд с формированием в нем электронного пучка. Формирование электронного пучка осуществляется путем лавинного размножения начального электронного пучка в разряде при давлении порядка атмосферного с разрядным током, значение которого выбирают из условия обеспечения компенсации объемного заряда, возникающего в разряде при развитии электронных лавин, а напряженность электрического поля выбирают из условия превышения порогового значения, необходимого для развития лавин убегающих электронов.The closest solution that we have chosen for the prototype is a patent for a method of producing an electron beam [2]. In the prototype, a volume pulsed high-voltage discharge is carried out between the electrodes of the gas-filled gap with the formation of an electron beam in it. The formation of an electron beam is carried out by avalanche propagation of the initial electron beam in a discharge at a pressure of the order of atmospheric with a discharge current, the value of which is selected from the condition for providing compensation for the space charge arising in the discharge during the development of electronic avalanches, and the electric field is selected from the condition that the threshold value is exceeded for the development of avalanches of runaway electrons.
Способ основан на теории возникновения лавины убегающих электронов в достаточно сильных электрических полях. Предполагается, что начальные убегающие электроны образуются либо в результате процессов в самом разряде, либо инжектируются в разрядную область извне. В электрическом поле разряда происходит лавинное размножение начальных убегающих электронов и формируется пучок высокоэнергетичных электронов. Лавинное размножение убегающих электронов развивается не просто в электрическом поле, а в газовом разряде. Протекание газоразрядного тока способно компенсировать объемный заряд. В электрическом поле без разряда компенсации не происходит, и заряд накапливается, прекращая процесс ускорения высокоэнергетичного компонента вторичных электронов. Напряженность электрического поля Е в данном изобретении определяется соотношением Е/Р=(Е/Р)кр. Здесь Р - давление газа в разрядном промежутке. Величина е(Е/Р)кр равна минимальному значению силы сопротивления, действующей на убегающие электроны в данном газе со стороны атомов и молекул. Время генерации пучка ограничено длительностью импульса инжектированных электронов и (или) развитием неустойчивости объемного разряда.The method is based on the theory of the occurrence of an avalanche of runaway electrons in sufficiently strong electric fields. It is assumed that the initial runaway electrons are formed either as a result of processes in the discharge itself or are injected into the discharge region from the outside. An avalanche multiplication of the initial runaway electrons occurs in the electric field of the discharge and a beam of high-energy electrons is formed. Avalanche multiplication of runaway electrons develops not just in an electric field, but in a gas discharge. The flow of gas discharge current can compensate for the space charge. In an electric field, no compensation occurs without a discharge, and the charge accumulates, stopping the acceleration of the high-energy component of secondary electrons. The electric field E in this invention is determined by the ratio E / P = (E / P) cr. Here P is the gas pressure in the discharge gap. The value of e (E / P) cr is equal to the minimum value of the resistance force acting on the runaway electrons in a given gas by atoms and molecules. The beam generation time is limited by the pulse duration of the injected electrons and (or) the development of the instability of the volume discharge.
Недостатком способа по прототипу является ограничение на время формирования потока электронов (t>40 нс) в процессе импульсного разряда и на напряженность в газовом промежутке, которая должна быть не меньше критического значения.The disadvantage of the prototype method is the limitation on the time of formation of the electron flow (t> 40 ns) in the process of a pulsed discharge and on the tension in the gas gap, which should be not less than the critical value.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является формирование высокоэнергетичных (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 streams (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 газонаполненном промежутке между электродами осуществляют объемный импульсный разряд с формированием в нем электронного пучка, новым, согласно изобретению, является то, что формирование электронного пучка осуществляют на стадии пробоя разрядного промежутка при достижении значения параметра U/(p×d), достаточного для формирования пучка убегающих электронов между фронтом распространяющейся от катода плазмы и анодом, и то, что плазма объемного разряда, движущаяся к аноду, формируется за счет предыонизации промежутка быстрыми электронами, образовавшимися на фронте импульса напряжения за счет усиления поля на катоде и (или) на катодных плазменных образованиях (пятнах). Где U - напряжение (В), р - давление газа (Торр), d - зазор газового промежутка (мм).The technical result is achieved by the fact that in a gas-filled gap between the electrodes a volume pulsed discharge is performed with the formation of an electron beam in it, a new one, according to the invention, is that the formation of an electron beam is carried out at the stage of breakdown of the discharge gap when the value of the parameter U / (p × d ), sufficient for the formation of a runaway electron beam between the front of the plasma propagating from the cathode and the anode, and the fact that the plasma of a volume discharge moving to the anode is formed by ionization of the gap by fast electrons formed at the front of the voltage pulse due to field amplification at the cathode and (or) at the cathode plasma formations (spots). Where U is the voltage (V), p is the gas pressure (Torr), d is the gap of the gas gap (mm).
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 поля 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 field amplification at the cathode and cathode spots.
Способ основан на том, что в импульсном объемном разряде основная часть убегающих электронов при низких начальных значениях параметра Е/р~0,1 кВ/см×Торр 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 method is based on the fact that in a pulsed volume discharge, the bulk of runaway electrons at low initial values of the parameter E / p ~ 0.1 kV / cm × Torr are formed in the space between the plasma that is formed at 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.
Реальная 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 использовалось 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 АlВе 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 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 напряжением 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 real design, on which a subnanosecond electron beam is implemented in an 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 grid with a transparency of ~ 50% or through an AlBe 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 Co 2 —N 2 —He mixture both in the mode of single pulses and in a repetition rate of up to 10 Hz. The amplitude of the current in air was 40 A, in He 300 A. For other gases, the highest currents for similar conditions in a gas diode were also obtained. 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 half-duration 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 при составлении заявкиSources of information taken into account when preparing the application
1. Л.В.Тарасова, Л.Н.Худякова, Т.В.Лойко и 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.564-568.1. L.V. Tarasova, L.N. Khudyakova, T.V. Loyko and 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, T.XLIV, B.3, S.564-568.
2. Патент RU №2113033, опубл. в Б.И. №16 от 06.10.1998.2. Patent RU No. 2113033, publ. in B.I. No. 16 dated 10/06/1998.
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, том 29, вып.10, с.29-35.3. 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 in ZhTF, 2003, volume 29, issue 10, pp. 29-35.
4. Тарасенко В.Ф., Яковленко С.И., Орловский В.М., Ткачев А.И., Шунайлов С.А. / Получение мощных электронных пучков в плотных газах // Письма в ЖЭТФ, 2003, том 77, вып.11, с.737-742.4. Tarasenko V.F., Yakovlenko S.I., Orlovsky V.M., Tkachev A.I., Shunailov S.A. / Production of high-power electron beams in dense gases // Letters in JETP, 2003, Volume 77, Issue 11, pp. 737-742.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2003131579/28A RU2244361C1 (en) | 2003-10-27 | 2003-10-27 | Method for generating subnanosecond electron beam |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2003131579/28A RU2244361C1 (en) | 2003-10-27 | 2003-10-27 | Method for generating subnanosecond electron beam |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2244361C1 true RU2244361C1 (en) | 2005-01-10 |
Family
ID=34881961
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2003131579/28A RU2244361C1 (en) | 2003-10-27 | 2003-10-27 | Method for generating subnanosecond electron beam |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2244361C1 (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2321917C1 (en) * | 2006-06-15 | 2008-04-10 | Институт сильноточной электроники СО РАН | Method for enhancing density of sub-nanosecond electron beam |
RU2343650C2 (en) * | 2007-01-26 | 2009-01-10 | Эн И Кью Лэб Холдинг Инкорпорэйтед | Method of making high-enthalpy gas jet based on pulsed gas discharge |
RU2360357C1 (en) * | 2007-12-26 | 2009-06-27 | Институт сильноточной электроники СО РАН (ИСЭ СО РАН) | Pulse generator |
WO2010090545A1 (en) * | 2009-02-05 | 2010-08-12 | Neq Lab Holding Inc. | Formation method of high enthalpy gas jet based on pulse gas discharge |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU652698A1 (en) * | 1977-07-11 | 1979-03-15 | Институт высоких температур АН СССР | Method of shaping high-voltage subnanosecond pulses |
US4656430A (en) * | 1984-03-16 | 1987-04-07 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Short rise time intense electron beam generator |
US5150067A (en) * | 1990-04-16 | 1992-09-22 | Mcmillan Michael R | Electromagnetic pulse generator using an electron beam produced with an electron multiplier |
RU2113033C1 (en) * | 1997-02-20 | 1998-06-10 | Российский Федеральный Ядерный Центр - Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Экспериментальной Физики | Electron beam generation process |
RU2206175C1 (en) * | 2001-11-19 | 2003-06-10 | Закрытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Эра" | Subnanosecond pulse shaper |
-
2003
- 2003-10-27 RU RU2003131579/28A patent/RU2244361C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU652698A1 (en) * | 1977-07-11 | 1979-03-15 | Институт высоких температур АН СССР | Method of shaping high-voltage subnanosecond pulses |
US4656430A (en) * | 1984-03-16 | 1987-04-07 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Short rise time intense electron beam generator |
US5150067A (en) * | 1990-04-16 | 1992-09-22 | Mcmillan Michael R | Electromagnetic pulse generator using an electron beam produced with an electron multiplier |
RU2113033C1 (en) * | 1997-02-20 | 1998-06-10 | Российский Федеральный Ядерный Центр - Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Экспериментальной Физики | Electron beam generation process |
RU2206175C1 (en) * | 2001-11-19 | 2003-06-10 | Закрытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Эра" | Subnanosecond pulse shaper |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2321917C1 (en) * | 2006-06-15 | 2008-04-10 | Институт сильноточной электроники СО РАН | Method for enhancing density of sub-nanosecond electron beam |
RU2343650C2 (en) * | 2007-01-26 | 2009-01-10 | Эн И Кью Лэб Холдинг Инкорпорэйтед | Method of making high-enthalpy gas jet based on pulsed gas discharge |
RU2360357C1 (en) * | 2007-12-26 | 2009-06-27 | Институт сильноточной электроники СО РАН (ИСЭ СО РАН) | Pulse generator |
WO2010090545A1 (en) * | 2009-02-05 | 2010-08-12 | Neq Lab Holding Inc. | Formation method of high enthalpy gas jet based on pulse gas discharge |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Tarasenko et al. | High-power subnanosecond beams of runaway electrons generated in dense gases | |
Tarasenko et al. | The electron runaway mechanism in dense gases and the production of high-power subnanosecond electron beams | |
Mesi︠a︡t︠s︡ et al. | Pulsed gas lasers | |
Li et al. | Repetitive gas-discharge closing switches for pulsed power applications | |
Mesyats et al. | On the nature of picosecond runaway electron beams in air | |
Tarasenko et al. | Modes of Generation of Runaway Electron Beams in He, $\hbox {H} _ {2} $, Ne, and $\hbox {N} _ {2} $ at a Pressure of 1–760 Torr | |
Beloplotov et al. | Inverted polarity effect at the subnanosecond high-voltage breakdown of air | |
JPS62265779A (en) | Apparatus and method for ionizing high pressure gas medium | |
Alekseev et al. | Electron beam formation in helium at elevated pressures | |
RU2244361C1 (en) | Method for generating subnanosecond electron beam | |
Akishev et al. | On the mechanism of maintenance and instability of the overvoltage low-pressure discharge forming a high-current runaway electron beam | |
Choi et al. | Characteristics of diode perveance and vircator output under various anode-cathode gap distances | |
Tarasenko et al. | Ultrashort electron beam and volume high-current discharge in air under the atmospheric pressure | |
RU2242062C1 (en) | Subnanosecond electron beam generator | |
RU2581618C1 (en) | Method of generating beams of fast electrons in gas-filled space and device therefor (versions) | |
Buranov et al. | Wide-aperture source of x-ray radiation for preionization of the large-volume electric-discharge lasers | |
Anders et al. | Vacuum-spark metal ion source based on a modified Marx generator | |
Gushenets et al. | Nanosecond high current and high repetition rate electron source | |
RU2113033C1 (en) | Electron beam generation process | |
Alekseev et al. | Electron beam formation in a gas diode at high pressures | |
Alekseev et al. | Gradual Tuning of the Current Pulse Width Within 1-0.03 ns in Gas-Filled Diodes of Nanosecond Electron Accelerators | |
Miller | Repetitive pulse operation of reltron tubes | |
US7429761B2 (en) | High power diode utilizing secondary emission | |
Tarasenko et al. | On the formation of nanosecond volume discharges, subnanosecond runaway electron beams, and x-ray radiation in gases at elevated pressure | |
Alekseev et al. | A New Method of Producing Subnanosecond High-Current Electron Beams. |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20051028 |