Приборы и техника эксперимента, 2023, № 3, стр. 53-60

ВВЕДЕНИЕ

Отдельным направлением ускорительной техники является генерация электронных пучков большого сечения (ПБС), которые выводятся в атмосферу через тонкую фольгу [1]. Такие ПБС характеризуются поперечным сечением порядка 1000 см², что обеспечивает высокую производительность при электронно-пучковой обработке различных материалов. Получение ПБС возможно двумя способами: формированием узкого пучка и его разверткой до необходимых размеров с помощью электромагнитной отклоняющей системы (пучки сканирующего типа) [2, 3], а также созданием катода с большой эмитирующей поверхностью, соответствующей размерам генерируемого ПБС [4–6]. Для облучения объектов пучком вне вакуумной камеры используется выводное фольговое окно. Зачастую оно представляет собой многоапертурную пластину с уложенной на нее металлической фольгой, через которую ускоренные электроны выводятся в атмосферу.

Одним из типов ускорителей электронов, позволяющих генерировать ПБС, является ускоритель на основе ионно-электронной эмиссии или на основе высоковольтного тлеющего разряда (ВТР). Их принцип действия основан на формировании потока ускоренных ионов, которые бомбардируют поверхность высоковольтного катода, зачастую представляющего собой металлическую пластину. В результате образуются вторичные электроны, формирующие электронный пучок с энергией, соответствующей приложенному ускоряющему напряжению. Такие ускорители можно разделить на две группы – с самостоятельным и несамостоятельным ВТР.

Ускорители с самостоятельным ВТР отличаются простотой конструкции, обусловленной возможностью образования плазмы, необходимой для возбуждения ионно-электронной эмиссии, и генерации электронного пучка в одном межэлектродном промежутке без использования дополнительных источников электропитания [7, 8]. Кроме того, данные ускорители способны генерировать многоапертурные электронные пучки различной геометрической формы [9] и иметь электродную систему отличную от плоскопараллельной [10, 11]. Однако ускорители с самостоятельным ВТР зачастую работают в импульсно-периодическом режиме с длительностью импульса, не превышающей нескольких сотен микросекунд, что ограничено переходом ВТР в дуговую форму разряда с резким снижением напряжения на ускоряющем промежутке. Помимо этого, управление током электронного пучка и распределением плотности тока по сечению пучка возможно лишь с помощью изменения давления рабочего газа, повышение которого приводит к сокращению высоковольтной стадии генерации разряда.

Более гибкое управление током электронного пучка реализуется в ускорителях с несамостоятельным ВТР, в которых ионный поток для бомбардировки поверхности высоковольтного катода формируется не самим ВТР, а специально созданной анодной плазмой. Данная плазма может быть сгенерирована вспомогательным разрядом различного типа (тлеющий разряд с полым катодом [12], тонкопроволочный разряд орбитронного типа [13], дуговой разряд [14], разряд с термокатодом [15]) либо отдельными ленточными электронными пучками [16, 17]. Для разделения области генерации вспомогательного разряда и ускоряющего промежутка с несамостоятельным ВТР используют металлическую сетку или перфорированный электрод. Это позволяет обеспечить слабую зависимость положения границы анодной плазмы и характеристик вспомогательного разряда от величины ускоряющего напряжения. Таким образом, в ускорителях с несамостоятельным ВТР возможна малоинерционная регулировка тока электронного пучка путем изменения концентрации анодной плазмы и ее распределения при постоянном ускоряющем напряжении. Кроме того, наличие вспомогательного разряда позволяет осуществлять генерацию ВТР при пониженном рабочем давлении (до 10^–2 Па), тем самым снижая вероятность перехода ВТР в низковольтную форму и обеспечивая возможность генерации непрерывного электронного пучка.

Ускорители на основе ВТР имеют следующие преимущества: относительную простоту конструкции, высокий срок службы катода, возможность управления током пучка без изменения ускоряющего напряжения, умеренные требования к насосной группе, возможность работы в отсутствие нагревательных элементов [18, 19]. Важным преимуществом является возможность расположения элементов ускорителя (кроме высоковольтного катода) под потенциалом “землиˮ, что значительно упрощает как схему электропитания и управления ускорителя, так и диагностику его систем.

К недостатку ускорителей на основе ВТР можно отнести то, что высокая эффективность вывода тока пучка достигается только при определенной конфигурации электронно-оптической системы и в достаточно узком диапазоне параметров [20]. Данная проблема носит глобальный характер и присуща всем источникам и ускорителям электронов данного типа. Так, например, при изменении ускоряющего напряжения или тока вспомогательного разряда происходит расфокусировка ионного пучка, бомбардирующего катод, что неизбежно приводит к потерям тока электронного пучка на ребрах анодной решетки и опорной решетки выпускного фольгового окна и, как следствие, к снижению энергетической эффективности ускорителя. Именно поэтому цель данной работы состояла в определении нового энергоэффективного способа генерации электронного пучка в ускорителе электронов на основе несамостоятельного ВТР при переходе к высокочастотному режиму генерации вспомогательного разряда.

МЕТОДЫ И МАТЕРИАЛЫ

Исследуемый широкоапертурный ускоритель на основе несамостоятельного ВТР позволяет генерировать и выводить в атмосферу непрерывный электронный пучок сечением 650 × 450 мм², энергией 150 кэВ и током до 30 мА [21]. Конструкция ускорителя (рис. 1) имеет два основных промежутка: дрейфовый промежуток 1, в котором горит вспомогательный разряд, генерирующий эмиссионную плазму и формирующий плазменный анод, и ускоряющий промежуток (область горения несамостоятельного ВТР) 2, в котором заряженные частицы приобретают высокую энергию, соответствующую ускоряющему напряжению. Промежутки разделены анодной решеткой 5 с отверстиями щелевого типа. Конфигурация отверстий в анодной решетке повторяет конфигурацию отверстий в водоохлаждаемой опорной решетке выводного окна, перекрытого алюминий-магниевой фольгой марки АМг-2н толщиной 30 мкм. Роль вспомогательного разряда выполняет самостоятельный тлеющий разряд с полым катодом и двумя тонкопроволочными анодами [22, 23]. В качестве полого катода используются стенки вакуумной камеры 7 (площадью ≈ 21 000 см²), а анодом служат две вольфрамовые проволоки 4 диаметром 0.035 см и длиной 85 см (суммарной площадью ≈18 см²), натянутые вдоль длинной стороны выводного окна и находящиеся в геометрической тени для электронного пучка. Рабочий газ гелий напускается в область горения вспомогательного разряда, рабочее давление составляет 1–5 Па. Ионы, эмитированные с границы анодной/эмиссионной плазмы и прошедшие через отверстия анодной решетки, набирают энергию в ускоряющем промежутке и бомбардируют поверхность высоковольтного катода, находящегося под потенциалом до –150 кВ относительно “землиˮ, что приводит к вторичной ионно-электронной эмиссии. Часть ионов нейтрализуется в высоковольтном зазоре, и бомбардировка катода в этом случае осуществляется нейтралами, имеющими широкий энергетический спектр [24]. В результате такой бомбардировки возникают вторичные электроны, которые ускоряются по направлению к анодной решетке, дрейфуют через плазму вспомогательного разряда и, проходя через каналы выводного фольгового окна, выводятся в атмосферу.

Генерация вспомогательного разряда осуществляется с помощью источника электропитания, который способен работать как в постоянном (direct current – DC), так и в импульсном режиме с частотой 1–100 кГц со стабилизацией среднего значения тока. Импульсный режим генерации вспомогательного разряда позволяет обеспечить большую амплитуду тока вспомогательного разряда и концентрацию эмиссионной плазмы за счет изменения коэффициента заполнения импульсов. Ранее подобная регулировка, но в более низкочастотном режиме была продемонстрирована при использовании источника электронов с сеточным плазменным катодом [25]. Изменение частоты следования импульсов при этом позволяет управлять длительностью импульса тока разряда и паузой между импульсами, которая для рассматриваемой высокочастотной генерации разряда находится в диапазоне 5–800 мкс.

Для тлеющего разряда орбитронного типа характерно значительное превышение площади катода S_c над площадью анода S_a (S_a << S_c), что обеспечивает осцилляции электронов внутри вакуумного объема и эффективную ионизацию рабочего газа электронным ударом [22, 26]. При этом площадь анода S_a должна быть достаточной для отведения тепловой нагрузки, определяемой плотностью электронного тока в соответствии с отношением масс электрона m_e и иона рабочего газа M_i: (m_e/M_i)^1/2 [27, 28]. В нашем случае S_a/S_c ≈ 8 ⋅ 10^–4, что отличается более чем на порядок от отношения масс для атомарного гелия (m_e/M_i)^1/2 ≈ 11 ⋅ 10^–3. Важно отметить, что импульсный режим генерации вспомогательного разряда позволяет снизить тепловую нагрузку на тонкопроволочные аноды с возможностью достижения большей амплитуды тока разряда, в отличие от постоянного режима генерации, в котором зачастую наблюдается перегрев и выход из строя анодных проволок при величине тока разряда более нескольких сотен миллиампер. Кроме того, генерация разряда с частотой в десятки килогерц способствует снижению вероятности образования катодных пятен на стенках полого катода вспомогательного разряда [29], что связано с компенсацией заряда, накопленного на поверхности диэлектрических пленок, в момент паузы генерации разряда [30].

Характерные осциллограммы и вольт-амперные характеристики (ВАХ) разряда в импульсном режиме генерации для разных значений коэффициента заполнения импульсов D при стабилизации среднего тока представлены на рис. 2 и 3 соответственно. Наибольшее напряжение разряда соответствует наименьшему D за счет большей амплитуды тока разряда и растущей ВАХ. Поэтому напряжение разряда в DC‑режиме (D = 100%) всегда меньше, чем в импульсном режиме, при одинаковом среднем токе разряда. Амплитудное значение тока разряда на одном проволочном аноде определяется как:

где I_m – амплитудное значение тока; D – коэффициент заполнения импульса; I_dср – среднее за период значение тока разряда с двух проволочных анодов.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Ток электронного пучка, выведенного в атмосферу, регистрировался коллектором, представляющим собой пластину из нержавеющей стали, полностью перекрывающую выводное окно ускорителя и расположенную на расстоянии 20 мм от выводной фольги. На резисторе R₅ = 100 Ом (см. рис. 1) измерялась разность потенциалов, создаваемая током пучка, относительно корпуса ускорителя. Для сравнения эффективности вывода электронного пучка из вакуума в атмосферу в разных режимах генерации вспомогательного разряда использовался параметр – коэффициент вывода электронного пучка, рассчитываемый как отношение тока пучка, выведенного в атмосферу, к общему току в ускоряющем промежутке: β = I_b/I₀. В DC‑режиме коэффициент вывода слабо зависел от величины тока вспомогательного разряда в исследуемом диапазоне (рис. 4) и составлял менее 0.25 при ускоряющем напряжении 140 кВ [31]. Осциллограммы токов ускорителя в DC-режиме вспомогательного разряда при ступенчатом изменении ускоряющего напряжения от 50 до 150 кВ приведены на рис. 5.

Слабая зависимость коэффициента β от тока вспомогательного разряда в постоянном режиме генерации, вероятно, связана со слабым изменением положения границы анодной плазмы и ионно-электронной оптической системы (ИЭОС) в диапазоне токов 30–80 мА. Низкое значение β (<0.25) свидетельствует о значительных потерях тока пучка внутри электродной системы ускорителя. Потери электронного пучка складываются из потерь на анодной и выводной решетках, а также потерь внутри алюминий-магниевой выводной фольги [20].

Осциллограммы токов ускорителя при генерации вспомогательного разряда в импульсном режиме приведены на рис. 6. Коэффициент вывода в этом случае определялся в момент окончания импульса тока вспомогательного разряда. Согласно рис. 7, коэффициент β при D = 80% близок по значениям к режиму постоянного тока. Уменьшение коэффициента D приводит к росту β: при D = 20%, U₀ = 150 кВ коэффициент вывода β > 0.5. При уменьшении коэффициента заполнения D соответственно увеличиваются ток и напряжение горения разряда, а следовательно, повышается концентрация эмиссионной плазмы и изменяется ширина прикатодного слоя:

Повышение напряжения горения разряда может приводить к росту прикатодного потенциала, в результате чего эмитированные из анодной плазмы ионы поступают в ускоряющий промежуток с большей энергией, изменяя ИЭОС таким образом, что коэффициент вывода пучка в атмосферу растет.

Максимальный коэффициент вывода электронного пучка при определенной энергии задается, прежде всего, толщиной и материалом выводной фольги. В нашем случае использовалась алюминий-магниевая фольга толщиной 30 мкм. В работах [32, 33] представлены данные по коэффициентам прохождения электронами алюминиевой фольги разной толщины (см. рис. 7). Из приведенных данных видно, что максимальный коэффициент вывода β при 150 кВ составляет ≈ 0.85, в то время как в DC-режиме достигнут β, равный 0.25, а при переходе в импульсный режим максимальное значение β составило 0.57 при D = 20%. В нашем случае коэффициент β включает в себя еще ионный компонент тока в ускоряющем промежутке. При коэффициенте ионно-электронной эмиссии γ около 10 [24] доля ионного тока в ускоряющем промежутке составляет ≈ 10%, а значит, реальный коэффициент вывода электронного пучка β_e в импульсном режиме генерации достигает значения: β_e = I_b/(0.9I₀) = 0.63. Таким образом, даже в этом случае имеется более 20% потерь тока пучка на ребрах анодной и опорной решеток.

Кроме того, согласно осциллограммам (см. рис. 6), после окончания генерации вспомогательного разряда начинается спад тока пучка I_b, выведенного в атмосферу, и за время паузы он становится близким к нулю. При этом ток в ускоряющем промежутке I₀ после прекращения генерации вспомогательного разряда I_d спадает с меньшей скоростью и во время паузы остается значительным. Таким образом, в момент паузы генерации вспомогательного разряда коэффициент β стремится к нулю.

Наличие тока в ускоряющем промежутке в паузу генерации вспомогательного разряда можно объяснить релаксационными процессами в анодной плазме после прекращения импульса тока разряда. Для проверки данного предположения внутрь вакуумной камеры был помещен цилиндрический коллектор площадью ≈ 130 см², на который в отсутствие ускоряющего напряжения подавалось постоянное отрицательное напряжение смещения относительно полого катода для измерения тока ионов из плазмы вспомогательного тлеющего разряда (рис. 8а). Согласно рис. 8б, после окончания импульса разряда I_d  ток коллектора I_c спадает, но за время паузы ≈130 мкс не достигает нуля, а остается на уровне 100 мкА. Это позволяет сделать вывод, что время релаксации плазмы вспомогательного разряда существенно превышает время паузы между импульсами тока разряда. В результате во время паузы между импульсами тока разряда в ускоряющий промежуток продолжают поступать ионы из плазменного анода, поддерживающие горение ВТР.

По результатам анализа проведенных экспериментов была также построена зависимость коэффициента вывода β электронного пучка от ускоряющего напряжения U₀ при варьировании частоты генерации f вспомогательного разряда (рис. 9). Согласно рис. 9, наибольшее значение коэффициента β достигается при генерации импульсов вспомогательного разряда с частотой f = = 10–30 кГц. С повышением частоты генерации разряда от 10 до 70 кГц ток пучка в атмосфере изменяется несущественно, однако ток в ускоряющем промежутке при f > 30 кГц возрастает, что в итоге приводит к соответствующему снижению коэффициента β. Важно отметить, что напряжение горения разряда U_d с ростом частоты следования импульсов изменяется незначительно. Так, при повышении частоты f от 1 до 70 кГц напряжение U_d (рис. 10), которое фиксировалось в конце импульса при одинаковой величине тока 140 мА, изменяется менее чем на 50 В и составляет U_d = = 700 В ± 3%. Тем не менее, зависимость β(  f  ) может быть также обусловлена динамикой прикатодного падения потенциала в полом катоде, которая, в свою очередь, может способствовать фокусировке или расфокусировке ионного потока в области ускоряющего промежутка. Для проверки данной гипотезы необходимо провести зондовые измерения параметров эмиссионной плазмы и последующее математическое моделирование.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные исследования показали, что генерация вспомогательного тлеющего разряда в импульсном режиме с частотой десятки килогерц позволяет повысить коэффициент вывода тока пучка в атмосферу ускорителей на основе ионно-электронной эмиссии. Так, на исследуемом ускорителе показано, что при ускоряющем напряжении 150 кВ в DC‑режиме коэффициент вывода электронного пучка не превышает 0.25. Переход к импульсному режиму генерации вспомогательного разряда позволяет увеличить коэффициент вывода на 0.3 в момент максимума тока в ускоряющем промежутке. По-видимому, увеличение тока и напряжения горения разряда, а следовательно, повышение концентрации эмиссионной плазмы, уменьшение ширины прикатодного слоя и рост прикатодного падения потенциала вспомогательного разряда, вызванные снижением коэффициента заполнения D и соответствующим ростом амплитуды тока разряда, приводят к снижению потерь на анодной и опорной решетках и формированию более оптимальной ИОЭС. Однако в паузу генерации вспомогательного разряда спад тока пучка в атмосфере происходит быстрее чем спад тока в ускоряющем промежутке, что приводит к резкому уменьшению коэффициента вывода: β < 0.05. Такой рост потерь тока пучка в момент паузы между импульсами тока разряда можно объяснить релаксационными процессами плазмы вспомогательного разряда, уменьшением энергии и доли ионов, поступающих в ускоряющий промежуток, а следовательно, изменением ИЭОС и/или релаксационными процессами плазмы ВТР, что является предметом дальнейших исследований. Сокращение паузы между импульсами путем повышения частоты генерации вспомогательного разряда с 10 до 70 кГц приводит к снижению максимального коэффициента вывода β на ≈ 0.1, но при этом в момент паузы генерации β может составлять ~ 0.15.

Даже при условии, что интегральная эффективность вывода пучка в атмосферу остается неизменной при переходе от постоянного к импульсному режиму генерации вспомогательного разряда, можно однозначно заключить о целесообразности использования предлагаемого подхода как для повышения стабильности генерации электронного пучка (уменьшения количества пробоев, обусловленных снижением вероятности образования катодных пятен на стенках полого катода вспомогательного разряда), так и для дальнейших использований оборудования такого класса с возможностью достижения более высокой импульсной плотности мощности пучка, что может быть крайне важно при решении многих радиационных задач при облучении различных органических материалов.