RU2317660C1 - Method for generation of heavy-current bunches of electrons in gas-filled acceleration space - Google Patents
Method for generation of heavy-current bunches of electrons in gas-filled acceleration space Download PDFInfo
- Publication number
- RU2317660C1 RU2317660C1 RU2006116235/06A RU2006116235A RU2317660C1 RU 2317660 C1 RU2317660 C1 RU 2317660C1 RU 2006116235/06 A RU2006116235/06 A RU 2006116235/06A RU 2006116235 A RU2006116235 A RU 2006116235A RU 2317660 C1 RU2317660 C1 RU 2317660C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gas
- cathode
- gap
- filled
- current
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 16
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 title abstract description 11
- 238000010892 electric spark Methods 0.000 claims abstract description 7
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 6
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 claims description 17
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims description 15
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 claims description 8
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 8
- 239000010406 cathode material Substances 0.000 claims description 6
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 4
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 3
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 2
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 1
- 230000003111 delayed effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 description 1
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
Landscapes
- X-Ray Techniques (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области сильноточной электроники и может быть использовано для генерации сильноточных импульсных пучков электронов с широким диапазоном энергии электронов от единиц до тысяч килоэлектроновольт. Ускорители электронов, основанные на этом изобретении, могут быть использованы для обработки, модификации и стерилизации материалов.The invention relates to the field of high-current electronics and can be used to generate high-current pulsed electron beams with a wide range of electron energy from units to thousands of kiloelectron volts. Electron accelerators based on this invention can be used to process, modify and sterilize materials.
Известен способ и устройство генерации пучков электронов высоких энергий, в которых эмитируемые с катода электроны ускоряются в вакуумном промежутке под действием импульсного электрического поля, создаваемого внешним высоковольтным напряжением, приложенным между анодом и катодом вакуумного ускорительного промежутка, а сформированный электронный пучок выводят из ускорительного промежутка сквозь герметичную металлическую фольгу, являющуюся анодом ускорительного промежутка (М.И.Яландин, В.Г.Шпак. Мощные малогабаритные импульсно-периодические генераторы субнаносекундного диапазона. // ПТЭ, 2001, №3, С.5-31 - аналог).A known method and device for generating high-energy electron beams in which the electrons emitted from the cathode are accelerated in the vacuum gap under the action of a pulsed electric field created by an external high-voltage voltage applied between the anode and the cathode of the vacuum accelerator gap, and the generated electron beam is removed from the accelerator gap through a sealed metal foil, which is the anode of the accelerating gap (M.I. Yalandin, V.G.Shpak. Powerful small-sized pulse-per odic generators subnanosecond range // PTE 2001, №3, S.5-31 -. equivalent).
Известен также способ и устройство генерации импульсных пучков электронов высоких энергий, в которых эмитируемые с катода электроны ускоряются в газонаполненном ускорительном промежутке под действием импульсного электрического поля, создаваемого внешним высоковольтным напряжением, приложенным к электродам газонаполненного ускорительного промежутка (Г.А.Месяц, С.Д.Коровин, К.А.Шарыпов, В.Г.Шпак, С.А.Шунайлов, М.И.Яландин. О динамике формирования субнаносекундного электронного пучка в газовом и вакуумном диоде. // Письма в ЖТФ, 2006, Т.32, вып.1, С.35-44 - прототип).There is also a known method and device for generating pulsed high-energy electron beams in which electrons emitted from a cathode are accelerated in a gas-filled accelerator gap under the influence of a pulsed electric field created by an external high-voltage voltage applied to the electrodes of a gas-filled accelerator gap (G.A. Mesyats, S.D. Korovin, K.A. Sharypov, V. G. Shpak, S. A. Shunaylov, M. I. Yalandin. On the dynamics of the formation of a subnanosecond electron beam in a gas and vacuum diode. // Letters in ZhTF, 2006, V.32 , issue 1, C.35-44 - prototype).
Однако данные решения имеют ряд недостатков. В первом решении недостатком является необходимость герметизации ускорительного промежутка и обеспечения в нем вакуума с остаточным давлением газа 105-106 Па, при котором обеспечивается режим ускорения электронов, что приводит к усложнению устройства. Основным же недостатком этого решения является малый срок службы металлической фольги, которая разрушается под действием 105-106 импульсов электронного пучка, что приводит к нарушению герметичности ускорительного промежутка и прекращению функционирования устройства в целом. Поскольку момент разрушения фольги носит стохастический характер, то это приводит к резкому нарушению технологического цикла облучения объектов в момент прорыва фольги и, соответственно, повышению вероятности выхода бракованной продукции. Основным недостатком второго решения является малая величина тока электронного пучка, вышедшего из газонаполненного ускорительного промежутка. (В ускорительном промежутке, заполненном газом атмосферного давления, электронный ток на два порядка меньше по сравнению с током из вакуумного ускорительного промежутка при одной и той же форме и амплитуде импульса ускоряющего напряжения). Это приводит к существенному сужению области применения таких электронных пучков.However, these solutions have several disadvantages. In the first solution, the drawback is the need to seal the accelerator gap and provide a vacuum in it with a residual gas pressure of 10 5 -10 6 Pa, at which the electron acceleration mode is provided, which leads to a complication of the device. The main disadvantage of this solution is the short life of the metal foil, which is destroyed by the action of 10 5 -10 6 pulses of the electron beam, which leads to a violation of the tightness of the accelerator gap and the cessation of the functioning of the device as a whole. Since the moment of destruction of the foil is stochastic in nature, this leads to a sharp violation of the technological cycle of irradiation of objects at the time of breaking the foil and, accordingly, increasing the probability of the output of defective products. The main disadvantage of the second solution is the small current of the electron beam emerging from the gas-filled accelerator gap. (In the accelerator gap filled with atmospheric pressure gas, the electron current is two orders of magnitude smaller than the current from the vacuum accelerator gap with the same shape and amplitude of the accelerating voltage pulse). This leads to a significant narrowing of the field of application of such electron beams.
Задачей предложенного изобретения является устранение указанных недостатков и разработка способа, позволяющего генерировать сильноточные электронные пучки в негерметичных газонаполненных ускорительных промежутках, и повысить надежность соблюдения технологического процесса облучения объектов этими пучками.The objective of the proposed invention is to eliminate these drawbacks and develop a method that allows you to generate high-current electron beams in leaky gas-filled accelerator gaps, and to increase the reliability of compliance with the technological process of irradiating objects with these beams.
Согласно изобретению способ генерации сильноточных пучков быстрых электронов в газонаполненном ускорительном промежутке включает в себя ускорение эмитируемых с катода электронов импульсным электрическим полем и вывод сформированного электронного пучка сквозь анод ускорительного промежутка. При этом в ускорительном промежутке длиной d, заполненном газом атмосферного давления, путем локального кратковременного разогрева газа до температуры свыше 3000 К создается область пониженной концентрации газа, соприкасающаяся с катодом, имеющая характерный размер x>d·(Wex/eU0) вдоль оси промежутка, где е - заряд электрона, a Wex - энергия электронов, соответствующая максимуму частоты ионизации окружающего газа. Импульс ускоряющего напряжения с амплитудой U0 и длительностью фронта меньше характерного времени ионизации газа в области пониженной концентрации газа подается после восстановления в этой области электрической прочности газа, но не позже времени релаксации его температуры. Для создания локальной области пониженной концентрации газа может использоваться лазерный факел оптического пробоя либо в парах материала катода, либо газа ускорительного промежутка. Также для создания локальной области пониженной концентрации газа может использоваться дополнительная электрическая искра.According to the invention, a method for generating high-current fast electron beams in a gas-filled accelerator gap includes accelerating the electrons emitted from the cathode by a pulsed electric field and outputting the generated electron beam through the anode of the accelerator gap. In this case, in the accelerator gap of length d filled with atmospheric pressure gas, by local short-term heating of the gas to a temperature above 3000 K, a region of reduced gas concentration is created in contact with the cathode, having a characteristic size x> d · (W ex / eU 0 ) along the axis of the gap , where e is the electron charge, and W ex is the electron energy corresponding to the maximum ionization frequency of the surrounding gas. An accelerating voltage pulse with an amplitude of U 0 and a front duration shorter than the characteristic time of gas ionization in the region of reduced gas concentration is supplied after the gas's electric strength is restored in this region, but not later than the relaxation time of its temperature. To create a local region of reduced gas concentration, an optical breakdown laser torch can be used either in the vapor of the cathode material or in the gas of the accelerator gap. Also, an additional electric spark can be used to create a local area of reduced gas concentration.
Таким образом, решение поставленной задачи обеспечивается локальным понижением концентрации газа до уровня менее 3·1018 см-3 в ускорительном промежутке, заполненном газом атмосферного давления, за счет локального кратковременного разогрева газа лазерным факелом или дополнительным искровым электрическим разрядом и начального ускорения эмитируемых с катода электронов в этой локальной области пониженной концентрации газа. Согласно предлагаемому изобретению генерацию сильноточных электронных пучков осуществляют в негерметичном ускорительном промежутке, заполненном газом атмосферного давления, а облучение объектов обработки электронным пучком также можно проводить в воздухе.Thus, the solution of this problem is ensured by a local decrease in gas concentration to a level of less than 3 · 10 18 cm -3 in the accelerator gap filled with atmospheric pressure gas due to local short-term heating of the gas by a laser torch or an additional spark electric discharge and initial acceleration of electrons emitted from the cathode in this local area of reduced gas concentration. According to the invention, the generation of high-current electron beams is carried out in an unpressurized accelerator gap filled with atmospheric pressure gas, and irradiation of objects treated with an electron beam can also be carried out in air.
Критерием убегания эмитируемых с катода электронов является приобретение ими на длине свободного пробега энергии от электрического поля выше энергии Wex, соответствующей максимуму частоты ионизации окружающего газа. В газе атмосферного давления при комнатной температуре этот критерий достигается при напряженности электрического поля Е≥4·10-15·N В·см2, где E=U0/d - напряженность электрического поля, U0 - амплитуда разности потенциалов между катодом и анодом ускорительного промежутка длиной d, N - концентрация молекул в газе. При таких напряженностях характерные времена ионизации воздуха атмосферного давления лежат в субнаносекундном диапазоне. Поэтому для обеспечения режима непрерывного ускорения электронов время нарастания напряженности поля в зоне ускорения электронов должно быть также субнаносекундного диапазона. В прототипе это достигается сокращением длительности фронта нарастания импульса напряжения и увеличения его абсолютной величины, т.е. путем увеличения абсолютной величины напряженности электрического поля Е. Это дает возможность генерации в ускорительном промежутке, заполненном газом атмосферного давления, убегающих электронов с максимальной энергией порядка w=eU0, но с током на уровне 1 А. (Это приблизительно на 2 порядка меньше тока, генерируемого в вакуумных ускорительных промежутках.)The criterion for the runaway of the electrons emitted from the cathode is the acquisition by them of the mean free path of the energy from the electric field above the energy W ex corresponding to the maximum ionization frequency of the surrounding gas. In atmospheric pressure gas at room temperature, this criterion is achieved at an electric field strength E≥4 · 10 -15 · N V · cm 2 , where E = U 0 / d is the electric field strength, U 0 is the amplitude of the potential difference between the cathode and anode accelerator gap of length d, N is the concentration of molecules in the gas. At such intensities, the characteristic times of atmospheric pressure air ionization lie in the subnanosecond range. Therefore, to ensure the regime of continuous electron acceleration, the rise time of the field strength in the electron acceleration zone should also be in the subnanosecond range. In the prototype, this is achieved by reducing the duration of the front of the rise of the voltage pulse and increasing its absolute value, i.e. by increasing the absolute value of the electric field E. This makes it possible to generate runaway electrons with a maximum energy of the order of w = eU 0 , but with a current of 1 A. in the accelerating gap filled with atmospheric pressure gas. (This is approximately 2 orders of magnitude less than the current, generated in vacuum accelerating gaps.)
В предлагаемом способе для существенного увеличения тока ускоренных электронов предлагается кратковременное уменьшение концентрации газа N в локальной области ускорительного промежутка, заполненного газом атмосферного давления. Такой подход основан на том, что критерий убегания, т.е. непрерывного ускорения, электронов является функцией именно приведенной напряженности электрического поля E/N. Локальное уменьшение N осуществляется путем возбуждения возле катода газового промежутка лазерного факела или электрической искры. При этом импульс ускоряющего напряжения подается на электроды ускорительного промежутка после восстановления электрической прочности газового промежутка до уровня, не допускающего его электрического пробоя, но не позже времени релаксации температуры локального объема, занимаемого лазерным факелом или электрической искрой, до температуры окружающего газа. Сущность способа заключается в том, что плазма лазерного факела и электрической искры находится в состоянии, близком к состоянию термодинамического равновесия при давлении, равном давлению окружающего газа, но с высокой температурой Tl=3-16 кК. В частности, в лазерном факеле оптического пробоя в парах материала катода температура вещества близка к температуре кипения материала катода, т.е. Tl=3-4 К и даже 10 кК для графита, в лазерном факеле оптического пробоя газа и электрической искры температура вещества достигает Tl≥10 кК. После выключения источника, создающего эту плазму, необходимая электрическая прочность объема, занимаемого этой плазмой, восстанавливается за время t<1 мс, в то время как его локальная температура за это же время уменьшается на несколько процентов. То есть к моменту восстановления электрической прочности в этом объеме ускорительного промежутка концентрация газа остается ниже, а характерное время ионизации газа τi=1/(Nki(E/N))(ki(E/N) - константа ионизации) выше приблизительно в Тl/Tk≈10-50 раз, чем в окружающем газе, находящемся при комнатной температуре Tk. Поэтому критерий убегания электронов в области пониженной концентрации газа реализуется при напряженности электрического поля на порядок меньшей, чем в газе атмосферного давления при комнатной температуре, а повышенное время ионизации в этой области значительно ослабляет требования на крутизну фронта нарастания напряженности электрического поля. Это справедливо в том случае, когда размер области пониженной концентрации вдоль оси ускорительного промежутка превышает длину свободного побега в ней электронов x≥(σN)-1≈d·(Wex/eU), где σ - эффективное сечение ионизации электронами молекул газа. В предлагаемом способе ток убегающих (ускоренных) электронов достигает 20-30% от полного тока, что приблизительно на два порядка выше, чем в прототипе при одинаковой напряженности электрического поля и крутизне фронта его нарастания, и по порядку величины этот ток близок к току электронов, генерируемому в вакуумных ускорительных промежутках (аналог).In the proposed method for a substantial increase in the current of accelerated electrons, a short-term decrease in the concentration of gas N in the local region of the accelerator gap filled with atmospheric pressure gas is proposed. This approach is based on the fact that the runaway criterion, i.e. continuous acceleration of electrons is a function of precisely the reduced electric field strength E / N. A local decrease in N is carried out by excitation of the gas gap of the laser plume or electric spark near the cathode. In this case, the accelerating voltage pulse is supplied to the electrodes of the accelerating gap after restoration of the electric strength of the gas gap to a level that does not allow its electrical breakdown, but not later than the relaxation time of the temperature of the local volume occupied by the laser torch or electric spark to the temperature of the surrounding gas. The essence of the method lies in the fact that the plasma of the laser plume and electric spark is in a state close to the state of thermodynamic equilibrium at a pressure equal to the pressure of the surrounding gas, but with a high temperature T l = 3-16 kK. In particular, in a laser plume of optical breakdown in the vapor of the cathode material, the temperature of the substance is close to the boiling point of the cathode material, i.e. T l = 3-4 K and even 10 kK for graphite; in a laser plume of optical breakdown of gas and an electric spark, the temperature of the substance reaches T l ≥10 kK. After turning off the source that creates this plasma, the necessary dielectric strength of the volume occupied by this plasma is restored in a time t <1 ms, while its local temperature decreases by several percent at the same time. That is, by the time of restoration of electric strength in this volume of the accelerating gap, the gas concentration remains lower, and the characteristic gas ionization time τ i = 1 / (Nk i (E / N)) (k i (E / N) is the ionization constant) is approximately higher in T l / T k ≈ 10-50 times than in the surrounding gas at room temperature T k . Therefore, the criterion of electron runaway in the region of lowered gas concentration is realized when the electric field is an order of magnitude smaller than in atmospheric pressure gas at room temperature, and the increased ionization time in this region significantly weakens the requirements for the steepness of the rise of the electric field. This is true in the case when the size of the region of reduced concentration along the axis of the accelerator gap exceeds the electron free run x≥ (σN) -1 ≈d · (W ex / eU), where σ is the effective ionization cross section of gas molecules by electrons. In the proposed method, the current of runaway (accelerated) electrons reaches 20-30% of the total current, which is approximately two orders of magnitude higher than in the prototype with the same electric field strength and the steepness of its rise front, and this current is close to the electron current in order of magnitude, generated in vacuum accelerating gaps (analogue).
Повышение эффективности генерации пучка убегающих (ускоренных) электронов с максимальной энергией w=eU0 происходит за счет того, что в области пониженной концентрации газа на длине свободного пробега электроны приобретают от электрического поля энергию выше энергии, соответствующей максимуму частоты ионизации окружающего газа. (Такая ситуация просто реализуется при концентрации менее 3·1018 см-3, которая соответствует давлению менее 0,1 атм при комнатной температуре.) Далее эти электроны ускоряются электрическим полем в газе нормальной плотности.An increase in the efficiency of generation of a runaway (accelerated) electron beam with a maximum energy w = eU 0 occurs due to the fact that in the region of reduced gas concentration along the mean free path, the electrons acquire energy from the electric field above the energy corresponding to the maximum ionization frequency of the surrounding gas. (Such a situation is simply realized at a concentration of less than 3 · 10 18 cm -3 , which corresponds to a pressure of less than 0.1 atm at room temperature.) Further, these electrons are accelerated by an electric field in a gas of normal density.
Предлагаемый способ реализуется устройством, которое включает в себя высоковольтный источник импульсного напряжения с внешним запуском, ускорительный промежуток, заполненный газом атмосферного давления и ограниченный катодом и прозрачным для ускоренных электронов анодом, соединенных с выводами источника напряжения, источник локального кратковременного разогрева газа в ускорительном промежутке, с выводом задержанного во времени синхроимпульса для запуска источника импульсного напряжения. В качестве источника локального разогрева предполагается лазер, излучение которого сфокусировано на катод ускорительного промежутка, а его интенсивность превосходит порог оптического пробоя в парах материала катода или в газе ускорительного промежутка, или искровой генератор, подключенный к катоду и дополнительному электроду, например, выполненному в виде сетки, ускорительного промежутка.The proposed method is implemented by a device that includes a high-voltage source of pulse voltage with external triggering, an accelerator gap filled with atmospheric pressure gas and limited by a cathode and an anode transparent to accelerated electrons connected to the terminals of a voltage source, a source of local short-term gas heating in the accelerator gap, s output delayed in time clock to start the source of the pulse voltage. The source of local heating is assumed to be a laser whose radiation is focused on the cathode of the accelerator gap, and its intensity exceeds the threshold of optical breakdown in the vapor of the cathode material or in the gas of the accelerator gap, or a spark generator connected to the cathode and an additional electrode, for example, made in the form of a grid accelerator gap.
Техническим результатом изобретения является повышение тока убегающих (ускоренных) электронов в негерметичном газовом ускорительном промежутке до уровня, который достигается в герметичных вакуумных ускорительных промежутках при тех же напряженностях электрического поля, и создание импульсных ускорителей электронов повышенной надежности.The technical result of the invention is to increase the current of runaway (accelerated) electrons in an unpressurized gas accelerator gap to a level that is achieved in sealed vacuum accelerator gaps at the same electric field strengths, and to create pulse electron accelerators of increased reliability.
В качестве доказательства возможности осуществления заявляемого изобретения приводится пример генерации пучка ускоренных электронов в устройстве, принципиальная схема которого приведена на чертеже. На нем обозначены: 1 - источник высоковольтного импульсного напряжения, 2 - ускорительный промежуток длиной d=18 мм, заполненный воздухом атмосферного давления при комнатной температуре, 3 и 4 - катод и сетчатый анод ускорительного промежутка, 5 - датчик тока убегающих электронов, 6 - импульсный лазер, 7 - лазерный факел.As evidence of the feasibility of the claimed invention, an example of the generation of an accelerated electron beam in a device is shown, the circuit diagram of which is shown in the drawing. On it are indicated: 1 - a source of high-voltage pulse voltage, 2 - an accelerator gap of length d = 18 mm filled with atmospheric pressure air at room temperature, 3 and 4 - a cathode and a mesh anode of the accelerator gap, 5 - a runaway current sensor, 6 - pulse laser, 7 - laser torch.
Устройство, приведенное на чертеже, работает следующим образом. Излучение от импульсного CO2-лазера 6 фокусируется на катод 3 ускорительного промежутка 2. Возле катода нормально к его поверхности возникает лазерный факел 7 в парах материала катода с температурой плазмы, приблизительно равной температуре кипения этого материала. После прекращения лазерного импульса через время, которое подбирается экспериментально и приблизительно равно 1 мс, на электроды 3 и 4 ускорительного промежутка от источника 1 подается импульс напряжения с наносекундным фронтом нарастания и амплитудой U0, которая определяется задаваемой максимальной энергией электронов пучка. Часть эмитируемых с катода электронов в области факела 7 ускоряются до энергии, превышающую энергию, соответствующую максимуму частоты ионизации молекул газа, и переходят в режим непрерывного ускорения, достигая возле анода энергии порядка w≤eU0. Ток этих электронов фиксируется датчиком 5. В качестве катода использовался сплошной графитовый цилиндр диаметром 6 мм со скошенным под углом 45° рабочим торцом. Анодом служила металлическая заземленная сетка прозрачностью 70%. При подаче на катод этого промежутка импульса напряжения U0=-200 кВ длительностью 4 нс при длительности фронта нарастания 1 не был зафиксирован ток убегающих электронов 0,5-0,9 А, т.е. такого же порядка, как и в прототипе. При облучении центра рабочего торца катода излучением импульсного СО2-лазера длительностью 1 мс и интенсивностью 105 Вт/см2, направленного перпендикулярно оси катода и сфокусированного на рабочем торце катода в пятно диаметром 2 мм, возле катода возникал лазерный факел оптического пробоя в парах материала катода, распространяющийся нормально к поверхности торца катода, т.е. под углом 45° к оптической оси ускорительного промежутка, не перекрывая его. При подаче на катод такого же, как и в случае без лазерного факела, импульса напряжения, но с регулируемой задержкой относительно окончания лазерного импульса, ток убегающих электронов фиксировался только через 1 мс после прекращения лазерного импульса и возрастал по мере увеличения задержки. В частности, при задержке 3 мс его значение превышало 10 А - на порядок больше значения электронного тока в ускорительном газовом промежутке без лазерного факела. При таком расположении лазерного факела размер области пониженного давления вдоль оси ускорительного промежутка был меньше х<0,6 мм, что не вполне удовлетворяет критерию убегания. Для повышения тока необходимо увеличить этот размер, т.е. развернуть факел вдоль оси ускорительного промежутка.The device shown in the drawing, operates as follows. The radiation from a pulsed CO 2 laser 6 is focused on the cathode 3 of the accelerator gap 2. Near the cathode, a laser plume 7 normally appears to its surface in pairs of the cathode material with a plasma temperature approximately equal to the boiling point of this material. After the laser pulse ceases after a time which is selected experimentally and approximately equal to 1 ms, a voltage pulse with a nanosecond rise front and amplitude U 0 , which is determined by the specified maximum electron beam energy, is applied to the electrodes 3 and 4 of the accelerator gap from source 1. Some of the electrons emitted from the cathode in the region of plume 7 are accelerated to an energy exceeding the energy corresponding to the maximum ionization frequency of gas molecules and go into continuous acceleration, reaching an energy of the order of w≤eU 0 near the anode. The current of these electrons is detected by the sensor 5. A solid graphite cylinder with a diameter of 6 mm and a working end beveled at an angle of 45 ° was used as the cathode. The anode was a metal grounded mesh with a transparency of 70%. When a voltage pulse U 0 = -200 kV was applied to the cathode of this gap for a duration of 4 ns at a rise time of 1, runaway current 0.5-0.9 A was not detected, i.e. the same order as in the prototype. When the center of the working end of the cathode was irradiated with radiation of a pulsed CO 2 laser with a duration of 1 ms and an intensity of 10 5 W / cm 2 directed perpendicular to the cathode axis and focused on the working end of the cathode into a spot with a diameter of 2 mm, a laser optical breakdown torch appeared in the vapor of the material near the cathode cathode, propagating normally to the surface of the end of the cathode, i.e. at an angle of 45 ° to the optical axis of the accelerator gap, without blocking it. When the voltage pulse is the same as in the case without a laser torch, but with an adjustable delay relative to the end of the laser pulse, the runaway electron current was detected only 1 ms after the laser pulse ceased and increased with increasing delay. In particular, with a delay of 3 ms, its value exceeded 10 A — an order of magnitude greater than the value of the electron current in the accelerating gas gap without a laser plume. With this arrangement of the laser plume, the size of the region of reduced pressure along the axis of the accelerating gap was less than x <0.6 mm, which does not completely satisfy the runaway criterion. To increase the current, it is necessary to increase this size, i.e. turn the torch along the axis of the accelerating gap.
Полученные результаты показывают возможность генерации токов убегающих электронов больших энергий в газонаполненных ускорительных промежутках, значительно превышающие токи, достигаемые в прототипе, и сравнимые с токами, генерируемыми в вакуумных ускорительных промежутках (аналог).The results obtained show the possibility of generating high-energy runaway electron currents in gas-filled accelerator gaps, significantly exceeding the currents achieved in the prototype, and comparable to the currents generated in vacuum accelerator gaps (analog).
Использование изобретения позволяет создавать импульсные ускорители электронов высоких энергий с большим сроком службы для таких областей науки и техники, в которых требуется непрерывная безотказная работа импульсных ускорителей в течение длительного времени.The use of the invention allows the creation of pulsed accelerators of high-energy electrons with a long service life for areas of science and technology that require continuous, trouble-free operation of pulsed accelerators for a long time.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006116235/06A RU2317660C1 (en) | 2006-05-11 | 2006-05-11 | Method for generation of heavy-current bunches of electrons in gas-filled acceleration space |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006116235/06A RU2317660C1 (en) | 2006-05-11 | 2006-05-11 | Method for generation of heavy-current bunches of electrons in gas-filled acceleration space |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2317660C1 true RU2317660C1 (en) | 2008-02-20 |
Family
ID=39267368
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2006116235/06A RU2317660C1 (en) | 2006-05-11 | 2006-05-11 | Method for generation of heavy-current bunches of electrons in gas-filled acceleration space |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2317660C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2376731C1 (en) * | 2008-03-31 | 2009-12-20 | Институт электрофизики Уральского отделения РАН | Device for generating pulsed beams of high-speed electrons in air gap at atmospheric pressure |
| RU2581618C1 (en) * | 2014-10-02 | 2016-04-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук (ИЭФ УрО РАН) | Method of generating beams of fast electrons in gas-filled space and device therefor (versions) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1139371A1 (en) * | 1983-07-04 | 1994-09-30 | Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом институте им.С.М.Кирова | Ion accelerator |
| RU2167504C1 (en) * | 1999-12-10 | 2001-05-20 | Физический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова | Method and device for laser electron acceleration |
| JP2002141195A (en) * | 2000-10-31 | 2002-05-17 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Electron accelerator |
| CN1367640A (en) * | 2002-03-08 | 2002-09-04 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | Method for generating femtosecond megavolt energy electron beam by using strong laser |
| JP2003007498A (en) * | 2001-06-19 | 2003-01-10 | Kawasaki Heavy Ind Ltd | Electron beam excited plasma generator |
| RU2269877C1 (en) * | 2004-10-22 | 2006-02-10 | Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук | Method for producing modulated electron beam |
-
2006
- 2006-05-11 RU RU2006116235/06A patent/RU2317660C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1139371A1 (en) * | 1983-07-04 | 1994-09-30 | Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом институте им.С.М.Кирова | Ion accelerator |
| RU2167504C1 (en) * | 1999-12-10 | 2001-05-20 | Физический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова | Method and device for laser electron acceleration |
| JP2002141195A (en) * | 2000-10-31 | 2002-05-17 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Electron accelerator |
| JP2003007498A (en) * | 2001-06-19 | 2003-01-10 | Kawasaki Heavy Ind Ltd | Electron beam excited plasma generator |
| CN1367640A (en) * | 2002-03-08 | 2002-09-04 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | Method for generating femtosecond megavolt energy electron beam by using strong laser |
| RU2269877C1 (en) * | 2004-10-22 | 2006-02-10 | Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук | Method for producing modulated electron beam |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2376731C1 (en) * | 2008-03-31 | 2009-12-20 | Институт электрофизики Уральского отделения РАН | Device for generating pulsed beams of high-speed electrons in air gap at atmospheric pressure |
| RU2581618C1 (en) * | 2014-10-02 | 2016-04-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук (ИЭФ УрО РАН) | Method of generating beams of fast electrons in gas-filled space and device therefor (versions) |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Larsson | Gas-discharge closing switches and their time jitter | |
| Baksht et al. | Runaway-electron-preionized diffuse discharge at atmospheric pressure and its application | |
| Bochkov et al. | Sealed-off pseudospark switches for pulsed power applications (current status and prospects) | |
| Shao et al. | Repetitive nanosecond-pulse discharge in a highly nonuniform electric field in atmospheric air: X-ray emission and runaway electron generation | |
| JPS61502153A (en) | Modulator switch with low voltage control | |
| US5335258A (en) | Submicrosecond, synchronizable x-ray source | |
| Mao et al. | Research on the time-delay characteristics of the laser-triggered vacuum switch | |
| RU2317660C1 (en) | Method for generation of heavy-current bunches of electrons in gas-filled acceleration space | |
| Baksht et al. | Generation of runaway electron subnanosecond pulses in nitrogen and helium at a voltage of 25 kV across the gap | |
| Frank et al. | Mechanism for initiation of pseudospark discharge by ions ejected from the anode side | |
| RU2581618C1 (en) | Method of generating beams of fast electrons in gas-filled space and device therefor (versions) | |
| Korolev et al. | Temporal structure of the fast electron beam generated in the pseudospark discharge with external triggering | |
| Batrakov et al. | Sources of pulsed low-energy electron beams and soft X-rays based on liquid-metal explosive-emission cathodes | |
| Zhu et al. | An improved pulse-line accelerator-driven, intense current-density, and high-brightness pseudospark electron beam | |
| Greenberg et al. | Low jitter capillary discharge channels | |
| Erofeev et al. | Generators of diffuse plasma at atmospheric pressure | |
| Sun et al. | Analysis of the trigger characteristics for a pseudospark switch triggered by nanosecond focused laser | |
| Lomaev et al. | Cumulation of a High-Current Electron Beam During a Nanosecond High-Voltage Discharge in a Low-Pressure Diode | |
| Geissler et al. | Self-emission and enhancement of laser-induced emission of electrons from ferroelectrics | |
| Panchenko et al. | X-ray radiation of a spark preionisation system and volume discharge plasma in a laser with an inductive energy storage | |
| Yablonovitch | Plasma resonance in the X-ray emission from gaseous laser targets | |
| Andreichik et al. | Generation of electron beam with millisecond pulse duration by plasma-cathode source based on the arc discharge in the fore-vacuum pressure range | |
| Zhu et al. | Design of high-voltage and high-brightness pseudospark-produced electron beam source for a Raman free-electron laser | |
| Pan et al. | Laser-induced breakdown experiment in nitrogen | |
| Riege | New ways of electron emission for power switching and electron beam generation |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180512 |