Приборы и техника эксперимента, 2022, № 6, стр. 61-67

ВВЕДЕНИЕ

Низкоэнергетические (10–30 кэВ) сильноточные (до 25 кА) электронные пучки (НСЭП) широко используются для модификации поверхностных слоев металлических материалов уже несколько десятков лет [1–6]. Формирование таких пучков осуществляется, как правило, в пушках с плазменным анодом и многоэмиттерным взрывоэмиссионным катодом [7, 8]. Высокая плотность энергии (до 20 Дж/см²) и короткая длительность импульса (2–4 мкс) позволяют выделить значительную энергию пучка в тонком (доли–единицы микрон) поверхностном слое, доводя его до плавления и даже частичного испарения. Это позволяет развивать различные перспективные технологии, включая формирование поверхностных сплавов толщиной от долей до десятков микрон [1–7].

Созданные к настоящему времени электронные пушки источников НСЭП имеют планарно-аксиальную геометрию и формируют, как правило, цилиндрические пучки, транспортируемые вдоль силовых линий внешнего ведущего магнитного поля [7, 8]. Данное поле обеспечивает также зажигание сильноточного отражательного (пеннинговского) разряда (как правило, в аргоне), формирующего плазменный анод электронной пушки. Электродами разрядной ячейки в данном случае служат взрывоэмиссионный катод, коллектор, а также кольцевой анод, расположенный примерно посередине между ними. Вместе с тем существует много задач, когда требуется облучать протяженные изделия цилиндрической формы, а для этого наиболее рационально использовать радиально сходящиеся пучки. К числу таких задач относятся: формирование защитных покрытий оболочек тепловыделяющих элементов ядерных реакторов, изготовляемых преимущественно из циркониевых сплавов или легированных сталей, для предотвращения/замедления коррозии и высокотемпературного окисления; повышение срока службы различного режущего и штампового инструмента. Отсутствие электронных пушек с радиально сходящимся НСЭП обусловливает актуальность их разработки и создания.

Импульсные радиально сходящиеся электронные пучки применялись и применяются для самых разнообразных целей. Это накачка газовых лазеров [9], генерация СВЧ-излучения [10, 11] и, конечно же, модификация поверхностных слоев материалов [12, 13]. Практически все вышеупомянутые установки генерируют высокоэнергетические пучки (около 100 кэВ и выше) сравнительно небольшой плотности тока (единицы–десятки ампер на квадратный сантиметр). Наиболее близкими по назначению к нашим источникам НСЭП являются установки серии GESA, разработанные в НИИЭФА им. Д.В. Ефремова (г. Санкт-Петербург) [12, 13].

В работе [12] радиально сходящийся электронный пучок генерировался в пушке триодного типа с диаметром катода 28 см и диаметром сетки 20 см. Аксиальная длина катода и сетки составляла 35 см, а площадь поверхности катода – 2900 см². Общее число эмиттеров (пучки графитовых волокон) на катоде составляло 2815, в цепь каждого эмиттера последовательно включен резистор сопротивлением несколько килоом. Диаметр анода варьировался и составлял 1, 2 или 3 см. Высоковольтный генератор прямоугольных импульсов длительностью до 30 мкс обеспечивал ускоряющее напряжение между катодом и анодом амплитудой 100–120 кВ. Ток пучка на аноде достигал 2–5 кА.

Эксперименты и расчеты, выполненные в работе [12], выявили следующий негативный эффект. Из-за углового разброса в течение примерно 10 мкс от начала импульса значительная часть электронов пучка не попадает на анод и осциллирует в пространстве между ним и катодом, причем с уменьшением диаметра анода доля осциллирующих электронов увеличивается (ток на анод, разумеется, падает), длительность импульса сокращается, ухудшается стабильность работы пушки. Более того, осцилляции электронов и вызванное этим накопление отрицательного объемного заряда усиливают отклонение электронов от попадания на анод и даже приводили в работе [12] к уменьшению тока эмиссии катода, что коррелирует с результатами работы [14].

Выявленный недостаток авторы работы [12] частично преодолели в работе [13] на установке GESA-4. Для уменьшения углового разброса между сеткой и анодом были радиально установлены тонкие пластины (ламели), длина которых (в аксиальном направлении) была равна длине катода. Доля осциллирующих электронов уменьшилась, стабильность работы пушки улучшилась.

Однако существенным недостатком установок серии GESA является сравнительно высокое ускоряющее напряжение (до 250 кВ), что приводит к высокой цене оборудования и снижает его надежность. Кроме того, достижение необходимой плотности энергии пучка за счет длительности импульса (из-за малой плотности тока) вынудило авторов работ [12, 13] использовать большие (около 10 см) межэлектродные радиальные зазоры, что приводило к осцилляциям значительной части электронов пучка, не попадающих на анод. Отметим также, что даже при таких межэлектродных зазорах авторы работ [12, 13] часто наблюдали их пробой из-за газовыделения с анода под действием пучка. Для предотвращения пробоя авторы работ [12, 13] были вынуждены прогревать анод до 400–500°С специальным импульсным источником тока перед началом импульса пучка, что привело к дополнительным затратам. Благодаря более высокой плотности тока и меньшему (в несколько раз!) ускоряющему напряжению и отсутствию необходимости предварительного прогрева анода источники НСЭП представляются нам более перспективными. В настоящей работе описывается созданный нами источник “МикрЭП” (микросекундный электронный пучок) с радиально сходящимся НСЭП.

ОПИСАНИЕ ИСТОЧНИКА

Для формирования радиально сходящегося НСЭП мы применили недавно разработанный нами катодный узел с многоканальным инициированием взрывной эмиссии пробоем по поверхности диэлектрика [15, 16]. На рис. 1 приведен общий вид электронной пушки источника. В односекционный кольцевой катод 1 из дюралюминия равномерно по окружности встроены 18 дуговых источников плазмы, включающие в себя трубки 2 и медные электроды 3. Внутренний диаметр катода составляет 8 см, наружный диаметр трубок – 4 мм, внутренний – 2 мм, диаметр электродов также равен 2 мм. Каждый из восемнадцати электродов заземлен через резисторы 4 (три последовательно соединенных резистора с номинальным сопротивлением 750 Ом каждый). Для увеличения количества взрывоэмиссионных центров в кольцо также впрессованы 12 пучков тонких (80 мкм) медных проволок 5.

Рис. 1.

Общий вид рабочей камеры и электронной пушки источника НСЭП. 1 – катод; 2 – керамическая трубка; 3 – электрод дугового источника плазмы; 4 – резистор ТВО-2; 5 – пучок медных проволок; 6 – анод; 7 – подводы импульса высокого напряжения от передающей линии к катоду; 8 и 9 – цанговые токосъемы; 10 и 11 – пояса Роговского; 12 – рабочая камера; 13 – патрубок откачки; 14 – патрубок напуска рабочего газа; 15 – смотровое окно со свинцовым стеклом; 16 – датчики давления газа.

Пушка работает следующим образом. При подаче на катод импульса напряжения отрицательной полярности амплитудой 5–25 кВ от генератора высоковольтных импульсов (ГВИ) происходит пробой по поверхности торцов керамических трубок 2 и возникает плазма, состоящая из материалов катода (катодные пятна), керамических трубок и электродов 3, а также ионизованного десорбированного газа. Образование катодных пятен (взрывоэмиссионных центров) при протекании тока через поджигающие промежутки (эти пятна можно назвать затравочными) обеспечивается тем, что амплитуда тока (2.2–11.1 А) через каждый промежуток превышает так называемый пороговый ток дуги [17], который составляет доли–единицы ампер практически для всех материалов (например, для меди он равен около 2 А). Электроны, эмитируемые затравочными, а также возникшими в течение импульса катодными пятнами, ускоряются в радиальном направлении к аноду, формируя сходящийся пучок. Рост тока обеспечивается как увеличением числа катодных пятен, так и их расширением, т.е. увеличением площади эмиссионной поверхности [7, 18].

Анодом 6 служит стержень из нержавеющей стали или латуни диаметром 1 см. В ряде случаев часть анода (область воздействия пучка) оборачивалась медной фольгой толщиной 0.5 мм (см. ниже, рис. 5в). Анод заземлен с двух сторон через цанговые токосъемы 8 и 9.

ГВИ, схема которого представлена на рис. 2, собран на основе конденсатора ИК-50/3 (измеренная емкость С = 2.87 мкФ) и псевдоискрового разрядника ТД-50к/45 (ООО “Импульсные технологии”, г. Рязань). Для замыкания цепи зарядки и поглощения энергии конденсатора в случае холостого хода в нагрузке, а также для защиты выходных цепей источника зарядки ГВИ служит индуктивно-резистивная катушка L₂, R₂, намотанная нихромовым проводом толщиной 1 мм. Активное сопротивление катушки составляет 23.5 Ом, расчетная индуктивность – 140 мкГн. Соединение ГВИ с электронной пушкой осуществляется передающей линией из шести параллельных отрезков коаксиального кабеля РК-50-9-11 длиной 1.5 м каждый. Импеданс ГВИ не превышает 0.25 Ом.

Рис. 2.

Принципиальная схема ГВИ (выделен штриховой линией) и разрядного контура (цепи дуговых источников плазмы условно не показаны). R₁ = 4.7 кОм – зарядный резистор; R₂ = 23.5 Ом – сопротивление катушки ГВИ; R₃ = = 10 кОм и R₄ = 5 Ом – делитель напряжения; R_d – сопротивление диода; L₁≈ 120 нГн – индуктивность разрядного контура за вычетом индуктивностей в цепи анода; L₂≈ 140 мкГн – индуктивность катушки ГВИ; L₃, L₄– индуктивности в цепи анода; TL – передающая линия; ПР₁–ПР₃ – пояса Роговского (трансформаторы тока); S – управляемый разрядник ТД-50к/45.

Регистрация импульсов ускоряющего напряжения осуществлялась с помощью активного делителя, полного тока катода – поясом Роговского, тока пучка на анод – также поясами Роговского, охватывающими оба токосъема. Сигналы с датчиков подавались на входы 4-канального широкополосного (200 MГц) цифрового осциллографа Tektronix TDS 2024. В каждом режиме производилось 5 выстрелов.

Плотность энергии пучка в импульсе и ее распределение по поверхности анода оценивались по автографам пучка.

Фотографирование свечения плазмы осуществлялось через смотровое окно 15 (см. рис. 1) с помощью цифрового фотоаппарата CASIO QV-3000EX/Ir в режиме открытого затвора. Для предотвращения “пересвечивания” перед объективом фотоаппарата устанавливался интерференционный светофильтр НС-9 толщиной 3 мм (показатель поглощения αλ = 0.6–0.65 в зависимости от длины волны на толщину 1 мм).

Откачка рабочего объема пушки осуществлялась турбомолекулярным насосом до давления 0.013 Па; после откачки напускался рабочий газ до давлений 0.05–0.09 Па.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 3 приведены типичные осциллограммы импульсов ускоряющего напряжения (без корректировки на индуктивное падение напряжения на передающей линии и подводящих проводниках), полного тока в контуре и токов в цепи анода. Токи, регистрируемые в цепи 1-го и 2-го токосъемов, различны ввиду различной длины отрезков анода от плоскости катода до соответствующего токосъема, а значит, и их индуктивности (расчетные индуктивности составляют 76 и 207 нГн). При этом отношение этих токов, как правило, примерно обратно пропорционально отношению этих индуктивностей. Суммарный ток пучка на анод (сумма токов, регистрируемых датчиками ПР₁ и ПР₂) заметно меньше полного тока в контуре, регистрируемого датчиком ПР₃, расположенным в ГВИ. Это свидетельствует о наличии утечек тока по изоляторам и/или на стенку камеры, приводящих в итоге к пробою и переходу разряда в колебательный режим. Осциллограммы токов (их временной ход) близки к осциллограммам, полученным для планарно-аксиальной геометрии диода [16].

Рис. 3.

Типичные осциллограммы импульсов: 1 – ускоряющего напряжения (10 кВ/деление); 2 – полного тока катода (24 кА/деление); 3, 4 – токов пучка на анод, зарегистрированных соответственно поясами Роговского ПР₂ (5 кА/деление) и ПР₁ (10 кА/деление). Масштаб по горизонтальной оси – 1 мкс/деление. U_зар = 20 кВ, p = 0.09 Па.

На рис. 4 приведена зависимость суммарного тока пучка на анод I_а от зарядного напряжения U_зар ГВИ, т.е. фактически от ускоряющего напряжения. Видно, что ток пучка на анод монотонно растет с увеличением U_зар.

Рис. 4.

Зависимость амплитуды тока на анод от зарядного напряжения ГВИ для различных значений давления воздуха в рабочей камере (цифры у кривых).

Рис. 5.

Автографы пучка на нержавеющей стали (а), латуни (б), меди (в). U_зар = 17 кВ, p = 0.09 Па.

На рис. 5 приведены фотографии анодов после облучения НСЭП при давлении воздуха 0.09 Па. На автографах, оставленных пучком, видно, что в области, близкой к плоскости расположения эмиттеров катода, наблюдаются следы интенсивного плавления. Учитывая, что порог импульсного плавления меди при длительности импульса 2–3 мкс составляет 5–5.5 Дж/см² [19], можно считать, что указанная плотность энергии достигается, причем при сравнительно скромной величине U_зар = 17 кВ. Длина области оплавления вдоль оси анода составляет 1–2 см, за ней следует область менее интенсивного плавления (ореол пучка). По окружности анода следы воздействия пучка выглядят более или менее однородно, что свидетельствует об азимутальной однородности пучка. В режиме вакуумного диода (0.013 Па) азимутальная однородность пучка иногда нарушалась, насколько об этом можно судить по фотографиям свечения анодной плазмы, полученным с помощью цифрового фотоаппарата с открытым затвором (рис. 6).

Рис. 6.

Фотографии свечения при работе электронной пушки в режиме: а – газонаполненного диода (p = 0.09 Па) и б – вакуумного диода (p = 0.013 Па). U_зар = 17 кВ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Создан источник радиально сходящихся низкоэнергетических (5–25 кэВ) сильноточных (до 30 кА) электронных пучков “МикрЭП” с длительностью импульса 2–4 мкс. Источник способен функционировать в режиме вакуумного или газонаполненного диода при низких давлениях рабочего газа (для воздуха – около 0.05–0.1 Па), благодаря встроенным в катод резистивно развязанным дуговым источникам плазмы. Более стабильно источник работает в варианте газонаполненного диода. Плотность энергии пучка в импульсе достигает не менее 5–5.5 Дж/см² при зарядном напряжении генератора высоковольтных импульсов, питающего электронную пушку, 17 кВ. Такая плотность энергии достаточна для оплавления подавляющего большинства металлов и сплавов. В азимутальном направлении автограф пучка на аноде выглядит однородным. Дальнейшее совершенствование источника будет заключаться в минимизации утечек электронного тока, а также в расширении области однородного оплавления анода (мишени) путем добавления катодных секций.