Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 3 04;07;12 Рентгеновское излучение при формировании объемных разрядов наносекундной длительности в воздухе атмосферного давления й И.Д. Костыря,1 В.Ф. Тарасенко,1 А.Н. Ткачев,2 С.И. Яковленко2 1 Институт сильноточной электроники СО РАН, 634055 Томск, Россия e-mail: VFT@loi.hcei.tsc.ru 2 Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, 119991 Москва, Россия e-mail: syakov@kapella.gpi.ru (Поступило в Редакцию 8 апреля 2005 г.) Исследовано формирование наносекундных разрядов в воздухе атмосферного давления при различной полярности импульса напряжения и различной геометрии разрядного промежутка. Показано, что при использовании наносекундных импульсов высокого напряжения в широком диапазоне экспериментальных условий на объемный характер разряда конструкция электродов и полярность импульса напряжения не оказывают существенного влияния. Форма разряда между двумя игольчатыми электродами при большом расстоянии асимметрична, но конфигурация свечения разряда слабо зависит от знака потенциала, подаваемого на электрод. При подаче отрицательных импульсов напряжения на потенциальный электрод зарегистрировано рентгеновское излучение как с поверхности анода, так и из объема. Показано, что при субнаносекундной длительности фронта импульса напряжения и диффузном характере разряда рентгеновское излучение наблюдается из ярко светящейся области коронного разряда. Проведены расчеты, установившихся средних значений скороcти и энергии быстрых электронов в азоте. Показано, что лобовые столновения определяют тот факт, что средняя скорость группы быстрых электронов постоянная при напряженности поля E/ p < 170 kV/cm atm. При E/p > 170 kV/cm atm имеет место убегание группы быстрых электронов.

обовые столкновения и приводят к излучению рентгеновских квантов из объема.

PACS: 52.80.-s Введение В работах [7,8] показано, что полярность импульса напряжения и форма потенциального электрода сущеВпервые рентгеновское излучение из заполненного ственно не влияют на объемный характер разряда при воздухом атмосферного давления разрядного проме- использовании наносекундных импульсов напряжения жутка с неоднородным электрическим полем зареги- с амплитудой 150 kV. При этом рентгеновское изстрировано, по-видимому, в работе [1], при подаче на лучение регистрировалось только при отрицательной промежуток микросекундных импульсов высокого на- полярности потенциального электрода. Тот факт, что пряжения. Свойства рентгеновского излучения из раз- форма разряда слабо зависит от полярности напряжерядной плазмы, создаваемой наносекундным импульсом, ния, объясняется предложенной ранее моделью [9,10] исследованы в работе [2]. На промежуток в конфигура- распространения разряда за счет размножения фоновых ции остриеЦплоскость подавались импульсы напряжения электронов (см. также [3,11,12]).

амплитудой до 200 kV с полной длительностью 170 ns Цель данной работы Ч исследование условий формии фронтом 10 ns. Потенциальным электродом (катодом) рования объемного разряда и рентгеновского излучения являлось острие. Эффективная энергия рентгеновского при пробое импульсами высокого напряжения наносеизлучения, измеренная в [2], составила 6 keV и не кундной длительности воздуха атмосферного давления, зависела от местоположения на оси межэлектродного и свойства объемного разряда, формируемого без источпромежутка. Максимальная интенсивность рентгеновника дополнительной предыонизации, а также свойства ского излучения регистрировалась после перемыкания импульсного коронного разряда, при этом яркое свечепромежутка разрядной плазмой у катода.

ние плазмы наблюдалось только у потенциального элекВ работах, подытоженных в обзоре [3], сообщалось о трода, а также уменьшалась амплитуда тока разряда [13].

формировании мощных субнаносекундных электронных пучков при достижении критического поля между плазмой и анодом. В этом режиме при объемном разряде в Экспериментальная установка воздухе атмосферного давления была получена амплитуда тока пучка за фольгой 200 A [4Ц6] при максимуме Экспериментальные исследования были проведены с на распределении электронов по энергиям 60-80 keV, использованием двух генераторов наносекундных имчто приводило к формированию жесткого рентгеновско- пульсов АРИНА (генератор № 1) [14] и РАДАН-го излучения за счет торможения электронов на аноде. (генератор № 2) [15]. Генератор № 1 формировал Рентгеновское излучение при формировании объемных разрядов... импульсы напряжения с амплитудой до 150 kV (напряжение холостого хода при высокоомной нагрузке).

Длительность импульса напряжения на полувысоте составляла несколько наносекунд и изменялась в зависимости от нагрузки. Длительность фронта импульса напряжения была менее 1 ns. На выходе генератора был установлен специально разработанный изолятор с внешним диаметром 160 mm, благодаря которому даже при зазоре между катодом и анодом в 67 mm завершенного пробом по поверхности изолятора в воздухе не наблюдалось. К генератору крепилась камера, изготовленная из медной фольги толщиной 200 m. Внутренний диаметр камеры Ч 160 mm, с противоположной от генератора стороны камера заканчивалась плоской медной пластиной (электрод № 1). В ряде экспериментов в центре плоского медного электрода устанавливался электрод № 2 в виде иглы высотой 25 mm. Боковая цилиндрическая стенка камеры имела прямоугольное ок- Рис. 1. Фотографии свечения разряда при отрицательной полярности импульсов напряжения на правом потенциальном но 115 cm. В качестве потенциального электрода № электроде (a) и автограф рентгеновского излучения на фоиспользовалась трубка диаметром 6 mm из стальной топленке (b). Межэлектродный зазор 67 mm, слева электрод фольги толщиной 50 m или игла (электрод № 4).

№ 1, справа электрод № 3. a Ч съемка за 10 импульсов; b Ч Плоский медный электрод имел в центральной части съемка за 15 импульсов. Генератор № 1.

отверстие диаметром 40 mm, которое закрывалось AlBeфольгой толщиной 50 m (электрод № 5), условия пробоя промежутка с данным электродом были такие же, как и с электродом № 1. Эксперименты были из сравнительно однородного цилиндра или конуса, проведены в воздухе при зазорах между электродами 22, перемыкающего промежуток. Кроме того, наблюдались 41, 54 и 67 mm, давление воздуха Ч 1 atm. В ходе отдельные ДструиУ, начинавшиеся на металлическом экспериментов изменялись полярность напряжения на стержне потенциального электрода и оканчивавшиеся, потенциальном электроде, межэлектродное расстояние не достигнув стенок камеры. В месте примыкания к и тип электродов.

потенциальному электроду каждой из струй, а также Генератор № 2 формировал импульсы напряжения с в центральной части основного разряда видны более амплитудой холостого хода 220 kV и длительностью яркие точки катодные или анодные пятна). Увеличение фронта импульса напряжения 0.3ns [15]. Эксперименпромежутка до 67 mm привело к формированию коронты на генераторе № 2 также проводились при давлении ного разряда, в котором яркое свечение наблюдалось воздуха 1 atm с электродом № 3, который во всех только у потенциального электрода, рис. 1,a. Отметим, экспериментах являлся катодом, и с электродом № 5, что при этом в 1Ц2 импульсах из десяти наблюдался не который во всех экспериментах являлся анодом. Зазор коронный разряд, а завершенный пробой промежутка.

газового промежутка изменялся от 10 до 20 mm.

При этом ярко светящаяся плазма у потенциального Интегральная картина свечения разряда снималась электрода замыкалась на противоположный электрод цифотоаппаратом ДЗенитУ на пленку РФ-3 или цифровым линдрическим объемным ДканаломУ, рис. 1,a, с меньшей фотоаппаратом. Кроме того, регистрировались рентгеинтенсивностью свечения в центре промежутка.

новское излучение по засветке пленки РФ-3, которая 2. При использовании двух электродов в виде игл помещалась в черную бумагу толщиной 95 m и рас(№№ 2 и 4) также стабильно формируется объемный полагалась у бокового окна камеры генератора № 1 на разряд, рис. 2. Объемный характер разряда не зависел расстоянии 8 cm от оси разряда или за электродом № от полярности потенциального электрода, но внешний обоих генераторов.

вид свечения разряда с двух игл при больших зазорах был несимметричен. При увеличении межэлектродного зазора разряд у заземленного электрода имел форму Результаты эксперимента цилиндра, диаметр которого существенно не изменяется Проведенные исследования позволили получить сле- при увеличении межэлектродного зазора.

дующие данные: 3. Регистрация рентгеновского излучения с помощью 1. При обеих полярностях импульса напряжения гене- фотопленки показала, что только при подаче импульратора № 1 и величине зазора 22 и 41 mm с электродами сов напряжения отрицательной полярности на элек№№ 3 и 4 (потенциальные), электродами №№ 1 и 5 троды №№ 3 и 4 интенсивность и энергия квантов (заземленные), как и в работах [7,8], стабильно фор- рентгеновского излучения достаточна для засветки пленмировался объемный разряд. Плазма разряда состояла ки, помещенной в черную бумагу толщиной 95 m.

5 Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 66 И.Д. Костыря, В.Ф. Тарасенко, А.Н. Ткачев, С.И. Яковленко № 3 (катод) и электродом № 5 (анод) в результате одновременного воздействия электронный пучком и рентгеновским излучением на фотопленку, помещенную за AlBe-фольгой на расстоянии 8 mm, а также изображение свечения разряда, полученное при фотографировании разряда через сетку. В этом случае для засветки фотопленки было достаточно одного импульса.

Измерение дозы рентгеновского излучения за фольгой с помощью дозиметра, который имел внешний диаметр 1 cm, дало экспозиционную дозу на расстоянии 5 cm от фольги 100 за импульс. Дозиметр мог регистрировать рентгеновские кванты с энергиРис. 2. Фотографии свечения разряда при отрицательной (a) и положительной (c) полярности импульсов напряжения на потенциальном электроде и автограф рентгеновского излучения на фотопленке при отрицательной полярности на потенциальном электроде (b). Межэлектродный зазор 54 mm, слева электрод № 2, справа электрод № 4. a,c Ч съемка за 10 импульсов; b Ч съемка за 50 импульсов. Генератор № 1.

Рентгеновское излучение регистрируется при подаче Рис. 3. Фотографии свечения разряда через сетку с шагом 1.2 mm (a) и автограф рентгеновского излучения на фотопленна потенциальный электрод напряжения отрицательной ке, расположенной на расстоянии 8 mm от электрода № 5 (b).

полярности, как при объемной, рис. 2,b, так и при Генератор № 2, межэлектродный зазор 16 mm, съемка в обоих коронном разряде, рис. 1,b. Форма разряда, как мы случаях за 1 импульс.

уже отмечали, при смене полярности существенно не изменялась. Из рис. 1 и 2 видно, что наибольшее почернение пленки наблюдается в центре промежутка.

Рентгеновское излучение регистрируется в основном из разрядной плазмы между электродами. Это предполагает получение рентгеновского излучения при торможении электронов о газ. Оценки проникающей способности кватов рентгеновского излучения показали, что при их энергии 5 keV и более будет происходить засветка фотопленки, помещенной в конверт из черной бумаги.

Это соответствует измерениям эффективной энергии рентгеновского излучения из плазмы, проведенным в работе [2], где она составила 6 keV и не зависела от местоположения на оси межэлектродного промежутка.

4. При реализации условий формирования СЛЭП [3Ц6], (СЛЭП Ч сверхкороткий лавинный электронный пучок [16]), основной вклад в регистрируемое рентгеновское излучение давало Рис. 4. Распределение электронов по энергиям за AlBeтормозное излучение из анода. На рис. 3 показан фольгой толщиной 50 m, полученное на генераторе № 2 при автограф, полученный на генераторе № 2 с электродом межэлектродном зазоре 16 mm.

Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. Рентгеновское излучение при формировании объемных разрядов... ей более 60 keV. На рис. 4 приведено распределение пучок формируется при выполнении нелокального криэлектронов по энергиям, полученное на генераторе терия убегания электронов [3,12], когда плазма, об№ 2 методом фольг. Видно, что максимум на данной разующаяся на катоде, подходит к аноду на малое кривой соответствует энергии электронов 80 keV. При расстояние. Плазма как бы приближает катод к аноду, использовании генератора № 1 и электрода № 1 в что приводит к выполнению нелокального критерия качестве анода наибольшее почернение фотопленки, по- убегания электронов. Для выполнения этого условия и мещенной у бокового окна камеры, при межэлектродном эффективной генерации электронного пучка при атмосферном давлении необходимо использовать генераторы зазоре 22 mm также регистрировалось у анода. Все с длительностью фронта импульса напряжения 1ns и эти данные показывают, что в условиях формирования СЛЭП рентгеновское излучение из анода имеет боль- менее.

шую интенсивность и большую энергию квантов.

Суммируя экспериментальные результаты, отметим Моделирование распространения две важные особенности. Во-первых, разряд между двубыстрых электронов мя игольчатыми электродами при большом расстоянии между ними несимметричен, но конфигурация свечения О методе моделирования. Для того чтобы исслеразряда не зависит от знака потенциала, подаваемого довать характер движения быстрых электронов в объна электрод. Во-вторых, рентгеновское излучение в еме, было проведено моделирование на основе одной зависимости от условий эксперимента регистрируется из модификаций метода частиц (подробнее см. [17]).

как с поверхности анода, так и из объема, но в обоих Инициирующий лавину электрон рождался в начале случаях лишь при подаче отрицательного потенциала.

координат с хаотически направленной скоростью и Несимметрия разряда объясняется тем, что один из начальной энергией, распределенной по Пуассону со электродов заземлен и соответственно имеет одинакосредним значением 0 = 0.2eV.

вый (нулевой) потенциал с корпусом камеры. ПоэтоНа малых временных шагах решались уравнения двиму напряженность поля вблизи потенциального (незажения всех рассматриваемых электронов и разыгрываземленного) электрода оказывается больше, чем возле лись упругие и неупругие столкновения с атомами. Низаземленного электрода. Действительно, часть силовых же представлены результаты моделирования движения линий, концентрирующихся на потенциальном электробыстрых электронов в азоте. Использованы характериде, имеют другой конец на корпусе камеры, что ослабстики столкновений из работы [18]. При этом сечения ляет поле на заземленном электроде. Ввиду различной ионизации экстраполированы в релятивистскую область напряженности поля вблизи электродов разряд несимтак же, как это сделано для гелия в работах [19,20].

метричен.

Существенным отличием было также то, что испольНезависимость вида свечения от знака потенциала, зовалось следующее выражение для распределения по подаваемого на электрод, объясняется механизмом расуглам электрона, рассеянного на атоме:

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам