[go: up one dir, main page]

RU2244361C1 - Method for generating subnanosecond electron beam - Google Patents

Method for generating subnanosecond electron beam Download PDF

Info

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
Application number
RU2003131579/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
С.Б. Алексеев (RU)
С.Б. Алексеев
В.М. Орловский (RU)
В.М. Орловский
В.Ф. Тарасенко (RU)
В.Ф. Тарасенко
Original Assignee
Институт сильноточной электроники СО РАН
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Институт сильноточной электроники СО РАН filed Critical Институт сильноточной электроники СО РАН
Priority to RU2003131579/28A priority Critical patent/RU2244361C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2244361C1 publication Critical patent/RU2244361C1/en

Links

Landscapes

  • Electron Beam Exposure (AREA)

Abstract

FIELD: cathode-luminescent analysis of materials, plasmochemistry, quantum electronics, and the like.
SUBSTANCE: proposed method designed for shaping high-energy (hundreds of keV) subnanosecond (t ≤ 1 ns) charged particle beams whose current density amounts to tens of amperes per cm 2 in gas-filled gap at atmospheric and higher pressure involves following procedures. Volumetric pulsed discharge is effected in gas-filled electrode gap and electron beam is shaped during breakdown of discharge gap as soon as parameter U/(p x d) is brought to value sufficient for shaping runaway electron beam between front of plasma propagating from cathode and anode and volumetric discharge plasma moving to anode is shaped by pre-ionization of gap with fast electrons formed across voltage pulse wavefront due to intensifying field on anode and/or on cathode plasma spots, where U is voltage, V; p is gas pressure, torr; d is gas-filled gap, mm.
EFFECT: enhanced energy and current density of generated subnanosecond electron beams.
1 cl

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)

Способ получения субнаносекундного электронного пучка при атмосферных давлениях и выше, заключающийся в том, что в газонаполненном промежутке между электродами осуществляют объемный импульсный разряд с формированием в нем электронного пучка, отличающийся тем, что формирование электронного пучка осуществляют на стадии пробоя разрядного промежутка при достижении значения параметра U/(р×d), достаточного для формирования пучка убегающих электронов между фронтом распространяющейся от катода плазмы и анодом, и тем, 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, Торр, d – зазор газового промежутка, мм.A method of producing a subnanosecond electron beam at atmospheric pressures and above, which consists in 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, characterized in that the formation of the electron beam is carried out at the stage of breakdown of the discharge gap when the value of the parameter U is reached / (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 a series moving toward the anode is formed due to preionization 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 voltage, V, p is pressure, Torr, d is the gap of the gas gap, mm
RU2003131579/28A 2003-10-27 2003-10-27 Method for generating subnanosecond electron beam RU2244361C1 (en)

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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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