CC BY
57
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц А Г И Т о м VII 197 6
№ 3
УДК 533.6.011.72
О ГАЗОРАЗРЯДНОМ МЕТОДЕ ГЕНЕРАЦИИ МОЩНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ и возможности ИСПОЛЬЗОВАНИЯ их В ГАЗОДИНАМИЧЕСКОМ ЭКСПЕРИМЕНТЕ
В. А. Горелов, А. И. Данилевич
Рассматривается возможность применения в газодинамическом эксперименте для диагностики кратковременных течений газа мощных импульсных электронных пучков. Оцениваются основные параметры таких пучков и степень воздействия их на исследуемый газовый поток. Показана возможность использования в эксперименте пучков электронов с плотностью тока у>104 А/м2, энергией £>10 кэВ и длительностью та: 10~5 с. Для генерирования таких пучков предлагается использовать электронные пушки с тлеющим разрядом, работающие при начальном давлении воздуха /?0~5-5-70 Па. Приводятся результаты исследования особенностей работы таких пушек.
I. Естественным путем расширения диапазона применимости в аэродинамическом эксперименте электронного пучка является увеличение силы тока в нем. Ограничение, которое накладывается на силу тока, определяется степенью воздействия пучка на исследуемую область течения. При энергии электронов 10 — 50 кэВ их взаимодействие с газом связано в первую очередь с ионизацией и возбуждением атомов и молекул. В указанном диапазоне величин энергии на упругие столкновения приходится лишь несколько процентов от общего числа столкновений. Ионизирующие столкновения составляют 30—40%, возбуждающие—60—70% [1].
Энергию, которую теряет электрон при неупругих столкновениях в среде, можно оценить, используя формулу Бете (см., например, [2]). Для нерелятивистских электронов
4 кр* N
Ше=±^1п' } (1)
туе 11
где Ше — энергия, теряемая электроном в среде на единичной длине пробега; ч)е — скорость электрона; — число всех электронов (связанных), находящихся в единичном объеме среды; т—масса
электрона; /—усредненная энергия ионизации частиц среды. Величина Ме определяется выражением
N.
где Л^о — число Авогадро, р —плотность газа, г — атомный номер, А — атомный вес частиц газа. Величина / может определяться по
15
15
т
13
12
11
10
9
S
7
в
5
Ч
3
2
1
""1" Г-Г--1 §>
- у /
- у/
: j "v /
/ /$/
/ / Л/
■ //У 1
- J 1. 1 1 1 1 1 1111 .1 1 1 1 1
1000 Фиг. I
Г, К
приближенной формуле 12 г [1, 2]. При величине тока в пучке г потери энергии на единицу длины пучка составляют <3 = £ —.
Формула (1) применима, если выполняется условие Е > /, где Е — энергия электронов в пучке.
Ограничения на величину плотности тока в пучке можно получить, сравнивая начальное значение энтальпии элемента газа, взаимодействующего с пучком, и потери энергии пучка, приходящиеся на рассматриваемый элемент. Пусть имеется электронный пучок с поперечным размером а, пересекающий поток газа с плотностью р и скоростью и. Не рассматривая влияние процесса теплопроводности и излучения энергии из объема, можно получить ограничение на величину плотности тока в пучке в виде
/«
Ср Тре ~0^:
(2)
где х — время взаимодействия пучка с элементом газа; -с = хп, если ^а<^а/и, и z — a/ii, если тп]>а/м; тп — время существования пучка. Отметим, что выключение из рассмотрения процессов теплопроводности И излучения дает несколько заниженное значение величины
Обычно электронные пучки применяются в аэродинамическом эксперименте при низкой плотности газа, когда столкновения частиц не влияют на процесс излучения возбужденных молекул и атомов. В этих условиях большая часть энергии возбуждения и ионизации будет уходить из зоны взаимодействия пучка со средой, не переходя в энергию поступательных степеней свободы частиц газа.
Из формул (1) и (2) получается следующее ограничение на величину плотности тока в пучке (в амперах на квадратный метр):
. 2,5-10-з СрТЕ
■/шах ^ т In (13 Е) ’
На фиг. 1 показаны графики зависимостей допустимой плотности тока пучка в воздухе при различных значениях Г и Е, когда •х == Ю-5 с. При построении графиков Jmax=f(T, Е) предполагалось, что в энергию поступательных степеней свободы в зоне взаимодействия пучка с газом переходит не более 10% от энергии, теряемой пучком. Предельное значение тока /шах соответствует увеличению энтальпии в газе не более чем на 10%. Из графиков следует, что при характерном времени с для целей диаг-
ностики газодинамических течений могут применяться довольно мощные электронные пучки.
При оценке возможности применения импульсных пучков важно рассмотреть вопрос о времени достижения квазиравновес-ного состояния газа при взаимодействии его с пучком. Наиболее медленным процессом в газе является установление равновесного уровня ионизации. Уровень ионизации можно оценить, зная величину Q и среднее значение энергии, приходящееся на один образующийся в газе под действием пучка электрон. Эта величина s, называемая иногда „ценой электрона“, является постоянной в широком интервале энергии при Я>-100 эВ. Для воздуха е=34 эВ [1].
Скорость образования ионов под действием электронного пучка
JQ
dt It-0 ге '
Изменение концентрации электронов пе во времени (в неподвижном газе) описывается уравнением
где а — коэффициент рекомбинации, для воздуха а= 10~6 10 "7 [3]
и при у = 104 А/м2, /?0 = 13,3 Па, Е — 10 кэВ равновесное значение пе = Уф. = 1017 4- 1018 м~3.
Характерное время установления равновесной ионизации в пучке X; — \iyga ^ 10_6 с. Таким образом, при длительности импульса тока в пучке примерно 10~5 с можно ожидать в зоне взаимодействия газа с пучком достижения равновесных условий.
2. Как показывает проведенный выше анализ, использование для диагностики газовых течений мощных импульсных электронных пучков представляется весьма перспективным направлением. В этой связи важным является вопрос о генерации таких пучков. Особый интерес вызывают газоразрядные пушки, которые в последнее время в связи с потребностями в создании простым способом сильноточных пучков привлекают внимание экспериментаторов [4-6].
Кратко рассмотрим принцип генерации сильноточного электронного пучка в тлеющем газовом разряде высокого напряжения [7]. Пусть имеется простейшая газоразрядная трубка с плоским катодом. Давление газа р0 — 0,1н-70 Па. На катод подается импульс напряжения от высоковольтного генератора с малым внутренним сопротивлением. Появляющиеся в объеме трубки начальные электроны (эмиссия с катода, объемная ионизация), ускоряясь в сильном поле, производят лавинную ионизацию газа. Между электродами возникает электрический ток. Ввиду разной подвижности электронов и ионов вблизи катода образуется пространственный положительный заряд. Первоначальное распределение поля трансформируется. Основное падение потенциала, приложенного к трубке, приходится на прикатодный слой, толщина которого при большой плотности тока может быть невелика (~ 10~2 м). Во всем остальном промежутке электрическое поле очень слабое. Электроны, эмиттируемые катодом в результате "^-процессов (кинетическое выбивание электронов при бомбардировке катода ионами и нейтралами с высокими энергиями), попадают в сильное поле и быстро ускоряются. С увеличением скорости движения быстро уменьшается сечение их взаимодействия с частицами газа и они могут переходить в режим движения, близкий к свободномолекулярному. Действительно, при энергии электрона Е> 10 кэВ сечение ионизации в азоте более чем на два порядка меньше сечения столкновения электронов НИЗКИХ энергий И при /70=13,3 Па, Е = 20 кэВ длина свободного пробега Хе>5-10-2 м.
В прикатодном слое наибольшее значение напряженности электрического поля наблюдается в непосредственной близости к поверхности катода, поэтому эмиттируемые электроны быстро входят в режим ускорения и движутся перпендикулярно поверхности катода, образуя электронный пучок. Форма пучка целиком определяется конфигурацией катода. Изменяя геометрию эффективной поверхности катода, можно создавать пучки различной геометрии: плоские, цилиндрические, сфокусированные или расходящиеся [4, 5].
Одним из основных параметров, характеризующих газовый разряд, является произведение рй, где р — давление газа, й — расстояние между электродами. Произведение рй определяет, как известно, по закону Пашена пробойное напряжение газового промежутка. Для воздуха пробойное напряжение минимально, когда (^)тт~0,3 Па-м. При рс!<^(рс1) Ш1п напряжение горения тлеющего разряда мало отличается от напряжения зажигания [7]. В этом режиме можно обеспечить существование стационарного высоковольтного разряда и генерировать электронные пучки постоянного тока. Методика получения таких пучков при £<:30 кэВ развита в работах [4, 8]. Получались пучки с током 1 — 10 А. Конструкция электронной пушки в импульсном режиме работы исследовалась в [6]. Было показано, что при *= 1100 Па, длительности импульса напряжения х = 10~4 с и Е= 10-ь-30 кэВ в различных газах (Н2, Аг, Ы2) легко генерируются электронные пучки различной конфигурации мощностью до 40 кВт при плотности тока до 104 А/м2.
3. На фиг. 2, а показана блок-схема экспериментальной установки для изучения особенностей генерации мощных импульсных электронных пучков.
Вакуумная стеклянная камера 4 имела длину 200 мм и диаметр 57 мм. Камера откачивалась форвакуумным насосом 1. Пушка 2
крепилась на державке, проходящей через торцевой фланец камеры. Отрицательный импульс напряжения до 15 кВ подавался на катод пушки от генератора 3 высоковольтных импульсов, обеспечивающего получение тока в импульсе до 10 А.
Ток в камере измерялся с помощью шунтов 7, включенных в токовую цепь коллекторного диска 5 и пояса Роговского 6, работающего в режиме трансформатора тока. Давление измерялось термопарным манометром 8. Напряжение на пушке и ток в системе регистрировались осциллографами ОК-17.
Схема конструкции пушек показана на фиг. 2, б. Применялись как плоские, так и вогнутые катоды 2 с радиусом кривизны 90 мм. Рабочие поверхности катодов полировались, а в ходе экспериментов катоды регулярно очищались тлеющим разрядом постоянного тока. Эксперименты проводились как с открытыми катодами (анодом в этом случае служил коллекторный диск), так и с применением анодных диафрагм 3, изготовленных из стали или латуни. Расстояние между катодом и диафрагмой могло изменяться в пределах от нуля до 40 мм. Диафрагмы устанавливались на металлическом корпусе 4. Изоляция 1 — плексиглас. Диаметр катода 30 мм, отверстия в диафрагме — размером 10 и 20 мм.
В отдельных сериях экспериментов исследовалось влияние на развитие высоковольтного разряда предварительной ионизации газа с помощью слаботочного тлеющего разряда постоянного тока (¿=10~3 А, V = 1000 В), который зажигался в камере между катодом и анодом или между коллекторным диском и диафрагмой.
На фиг. 3 представлены типичные осциллограммы импульсов напряжения, подаваемого на катод, и тока в разряде при различных экспериментальных условиях. Осциллограмма на фиг. 3, б соответствует импульсу тока, который наблюдается в системе с открытым катодом. Четко видна задержка импульса тока по
отношению к фронту импульса напряжения. На начальном участке токового импульса при напряжениях 1/^6 -н 7 кВ наблюдается характерный кратковременный пик тока, после окончания которого величина тока до окончания импульса изменяется незначительно.
Время задержки токового импульса зависит от давления и напряжения в импульсе. Характерные графики зависимости х3 = = /Ср> У) показаны на фиг. 4. Графики построены по результатам экспериментов с катодом из алюминия. Зависимость х3(1/) получена при р— 10 Па, зависимость х(р) при V =■ 10 кВ. Из графи-
ков видно, что х3 слабо зависит от длины разрядного промежутка. В рассмотренном диапазоне изменения V и р выполняется приближенное соотношение х3 - у-■ Не обнаружено заметного влияния очистки поверхности катода тлеющим разрядом на величину х3, но проявляется сильное влияние материала катода. Так, при экспериментах со стальным катодом величина х3 резко возрастала и при длительности импульса напряжения 10—20 мкс без предварительной ионизации газа разряд зажигался с трудом. При использовании для предварительной ионизации слаботочного тлеющего разряда постоянного тока токовый импульс появлялся практически без задержки (см. фиг. 3, в).
Начальный пик тока, наблюдаемый в экспериментах с открытым катодом, может быть обусловлен процессом формирования прикатодного слоя и выходом на режим генерации электронного пучка. Время формирования слоя может быть связано с характерным временем прохождения ионов разрядного промежутка [7]. Средняя скорость движения ионов в сильном электрическом поле напряженностью Е0
где I — характерное время свободного пробега, определяемое процессом перезарядки, 1/яапг/г.
При больших скоростях сечение перезарядки ал^10,5-10_16//г , где/; — потенциал ионизации. Для воздуха ап^2-10~,э м2. Для оценки получаем формулу:
у.^У еЕ-°—
V 2 пцтп '
где п — концентрация нейтральных частиц. В условиях эксперимента (поп) ях 1 и скорость г»г мало отличается от скорости свободного движения. Время формирования слоя те=г£/'г>4, где Ь — характерная длина разрядного промежутка. При ¿=^0,1 м и /:;^105 В/м получаются значения те^;10-6 с, что хорошо согласуется с наблю-
даемыми в эксперименте значениями длительности начального пика (2-нЗ)-10~6 с. Интересно отметить, что зависимость длительности пика от напряжения качественно согласуется с проведенной оценкой: четко обнаруживается сокращение длительности пика с увеличением значения Ей. Начальный пик появляется при напряжении в импульсе 6 кВ. При меньших напряжениях
наблюдается плавное нарастание тока за время, равное примерно 10~6 с.
В работе [7] показано, что при формировании слоя величина разрядного тока может как увеличиваться, так и уменьшаться в зависимости от изменения эффективности ^-процессов на катоде и объемной ионизации газа электронами.
По результатам, полученным в [9], можно видеть, что по мере увеличения V до 10 кВ происходит резкое увеличение коэффициента вторичной эмиссии электронов с катода ¡Зе.
В разряде с алюминиевым катодом в азоте, когда 1/=10 кВ, Ре = 8. При дальнейшем увеличении V величина ре возрастает более медленно, поэтому ток в разряде при образовании слоя может уменьшаться, так как при увеличении энергии электронов уменьшается сечение ионизации. Относительная величина и длительность пика уменьшаются при экспериментах с предварительным зажиганием слабого разряда (см. фиг. 3, в).
б{
На фиг. 5 показаны вольтамперные характеристики газоразрядных пушек при р0 = 15 Па. Кривая 1 соответствует пушке с открытым катодом из алюминия без разрядной очистки. Кривая 2 получена в тех же условиях, но с катодом, который предварительно очищали в тлеющем разряде в течение 1,5 часа. Кривая 3 получена в экспериментах со стальным катодом (использовался предварительный разряд), кривая 4—в экспериментах с алюминиевым катодом и анодной диафрагмой, установленной на расстоянии
Фиг. 6
мм от катода. Зависимость плотности тока от давления в объеме пушки выражается приближенно эмпирической формулой У ~ /У1-7. '
Установка анодной диафрагмы в оптимальных условиях может увеличивать значение плотности тока в выходящем пучке в 1,5 раза и более. На фиг. 6 дана зависимость тока пучка, выходящего из отверстия в диафрагме с диаметром 20 мм, от расстояния йх между катодом и диафрагмой. Стрелкой отмечено значение тока в пучке с указанным сечением для открытого катода. Условия эксперимента р=\Ъ Па, 1^=12 кВ. Максимальное значение тока наблюдается при =10-*-14 мм. В этом случае, по-видимому, величина близка к толщине прикатодного слоя. Эффект возрастания величины тока может быть связан с увеличением концентрации ионов вблизи поверхности диафрагмы вследствие частичного отражения электронов с большой энергией от диафрагмы. Толщина прикатодного слоя может быть оценена по формуле
следующей из решения классической задачи о токе, ограниченном пространственным зарядом.
В формуле (3) т1 — масса иона, у, —плотность ионного тока. Для условий эксперимента /-=300 А/м2, р^8, /(-^40 А/м3 по формуле (3) получаем ^ = 8 мм.
Как видно из фиг. 6, при приближении диафрагмы к катоду, когда < 10 мм, ток в пучке уменьшается. При этом наблюдается ■сжатие выходящего пучка к оси пушки. Это явление отмечено и в работах [4, 6]. Процесс сжатия начинается, когда диаметр отверстия в диафрагме сравнивается с величиной Причина такого интересного явления рассмотрена в работе [6], оно объясняется неоднородностью поля в зоне отверстия.
При отверстии в диафрагме около 10 мм, когда мм,
на выходе пушки возникал пучок диаметром около 2 мм.
Важно еще отметить, что при использовании диафрагмы на осциллограмме тока не наблюдается начального пика (см. фиг. 3, г). Максимальная величина тока и длительность импульса генерации ограничены процессом образования дугового разряда с холодным катодом. В проведенных экспериментах наблюдалось образование дуги при токе ¿^>5 А через 2 — 3 мкс после начала токового импульса. При использовании анодной диафрагмы допустимая величина тока увеличивалась.
Выше была проведена оценка времени достижения квазирав-новесного состояния газа при взаимодействии его с электронным пучком. Для подтверждения этой оценки были проведены контрольные эксперименты. В них регистрировалось с разрешением во времени излучение воздуха в районе полосы N2 (— 1) с помощью монохроматора УМ-2 (X = 3800 4000 А) и ФЭУ-64. Типичная осцил-
лограмма излучения приведена на фиг. 3, д. Излучение регистрировалось в области фокуса пучка. Было установлено, что время выхода излучения на постоянный уровень составляет примерно 2-10-6 с, что согласуется с теоретической оценкой.
4. По результатам выполненных работ можно сделать заключение о том, что применение для целей газодинамического эксперимента сильноточных электронных пучков, генерируемых в высоковольтном тлеющем разряде, представляет несомненный интерес. К преимуществам газоразрядной техники получения электронных пучков с целью их использования в газодинамическом эксперименте можно отнести следующее.
Простота конструкций пушек, удобный диапазон рабочего давления в объеме генерации пучка существенно облегчают технику получения пучка в условиях эксперимента в аэродинамической трубе. Во многих случаях отпадает необходимость в системе сложной дифференциальной откачки, достаточно обеспечить в электродной системе пушек постоянное давление в диапазоне 1—100 Па. Небольшие размеры газоразрядных пушек позволяют обеспечить ввод пучков в поток газа в зонах, труднодоступных для традиционной электронно-лучевой техники. Например, газоразрядная техника позволит генерировать пучки внутри аэродинамических моделей.
При электроразрядном способе легко реализуется получение электронных пучков практически любой формы при выборе соответствующей геометрии электродов. В частности, можно получать плоские широкие пучки, что особенно важно для визуализации течений в импульсных и ударных трубах.
Простым способом получаются импульсные пучки большой мощности. При их использовании можно ожидать расширения возможностей электронно-лучевой диагностики в трубах импульсного действия. При этом, конечно, необходимо применять электроннооптические средства усиления яркости подсвеченного электронным пучком поля течения.
Применение газоразрядных электронных пушек в экспериментальной аэродинамике может не ограничиваться областью диагностики и визуализации газовых потоков невысокой плотности. Мощные электронные пучки могут, например, использоваться для ионизации и возбуждения газовых потоков, нагревания поверхностей моделей и многих других экспериментальных задач, детали-
зация которых в настоящее время затруднена в силу того, что разработка и исследование газоразрядных генераторов, по-видимому, находятся на начальном этапе своего развития.
ЛИТЕРАТУРА
1. Аглинцев К. К. Дозиметрия ионизирующих излучений. М., Гостехтеориздат, 1957.
2. Диагностика плазмы. Под ред. Р. Хаддлстоуна, С. Леонарда. М., .Мир“, 1967.
3. Энгель А. Ионизованные газы. М., Физматгиз, 1959.
4. D u g d а 1 е R. А., М a s к г е у J. Т., Ford S. D., Н а г п е г P. R., Lee R. Е. Glow discharge beam techniques. J. Mat. Sci., vol. 4, № 2, 1969.
5. Isaacs Q. Q. Glow discharge electron gun for welding and heating. Int. Conf. on Gas Discharges, Sept. 1970.
6. Вагнер И. В., Болгов Э. И., Г р а к у н В. Ф., Г о х-фельд В. Л., Кудлай В. А. Элементарная ячейка для формирования электронных пучков произвольной формы в высоковольтном разряде в газе. .Журнал технической физики*, т. 44, вып. 8, 1974.
7. Покровская-Соболева А. С., Клярфельд Б. Н. Зажигание высоковольтного разряда в водороде при низком давлении. ЖЭТФ, т. 32, № 5, 1957.
8. D u g d а 1 е R. A., Ford S. D., Maskrey J. Т., Thackery P. А. Applications of the hollow cathode glow discharge to ion and electron guns. Vacuum, vol. 21, № 12, 1971.
9. Bourne H. C„ Cloud J. R. W., Trump J. G. Role of positive ions in high voltage break-down in vacuum. J. Appl. Phys., vol. 26, № 5, 1955.
Рукопись поступила 26/If 1975 г.
