Приборы и техника эксперимента, 2020, № 2, стр. 102-108

Разработка электроионизационного способа накачки газовых лазеров [1–3] обусловила повышенный интерес к источникам внешней ионизации на основе пучков быстрых электронов – широкоапертурным электронным ускорителям. Основной их особенностью является возможность синхронного облучения пучком электронов обрабатываемых поверхностей площадью до нескольких тысяч квадратных сантиметров либо газовых объемов большого сечения, что делает привлекательным их использование в тонкопленочных и объемных электронно-химических и плазмохимических технологиях.

Наибольшее распространение приобрели ускорители, в которых получение и формирование пучка электронов обеспечивается в планарных электронно-оптических системах с катодом в виде ряда протяженных прямонакальных дискретных термоэмиттеров, выполненных обычно из вольфрамового сплава [4, 5]. Так, в работе [5] описан ускоритель с триодной электронно-оптической системой, генерирующий в непрерывном режиме электронный пучок сечением 40×50 см² и устойчиво работающий со средней плотностью выведенного тока 80 мкА/см² при ускоряющем напряжении 185 кВ и коэффициенте вывода пучка 46%. Под коэффициентом вывода пучка подразумевается отношение величины тока электронного пучка, выведенного из ускорителя, к величине тока электронов, падающих на устройство вывода – опорную решетку с фольгой.

Наряду с ускорителями на основе термоэмиттеров, широкое применение находят ускорители электронов на основе высоковольтного тлеющего разряда (в.т.р.) [6–8].

Принцип действия этих ускорителей (рис. 1) основан на использовании явления ион-электронной эмиссии, возникающей при бомбардировке холодного катода в.т.р. (металлической пластины из нержавеющей стали) быстрыми ионами высоковольтного тлеющего разряда [9, 10]. Ионы извлекаются из области прианодной плазмы, генерируемой с помощью вспомогательного разряда, ускоряющим полем катода в.т.р., провисающим в отверстия в аноде в.т.р.

При этом в промежутке “анод–катод” зажигается несамостоятельный высоковольтный тлеющий разряд, в поле которого происходит ускорение и перезарядка ионов, которые при бомбардировке катода вызывают эмиссию электронов. Последние ускоряются этим же полем и, пройдя ускоряющий и дрейфовый промежутки, через фольгу выводятся из ускорителя. В работе [10] показано, что теоретически при обеспечении соосности отверстий в аноде δ_a и опорной решетке δ_sw (см. рис. 1) можно получить высокие значения коэффициента вывода пучка, поскольку потери пучка электронов при прохождении такой структуры будут минимальными.

В состав ускорителя на основе в.т.р. входят: катод в.т.р. – металлическая пластина, находящаяся под потенциалом ускоряющего напряжения; анод в.т.р. – перфорированная пластина под “земляным” потенциалом; устройство вывода пучка электронов, состоящее из опорной решетки с фольгой. Анод делит объем ускорителя на два промежутка: ускоряющий A, в котором происходит ускорение ионов к катоду и электронов в обратном направлении, и дрейфовый D – зону горения вспомогательного разряда. Катод и анод в.т.р., а также опорная решетка образуют ион-электронную оптическую систему (и.э.о.с.).

Одним из основных преимуществ ускорителей в.т.р. является диапазон рабочего давления в вакуумной камере, составляющий 10^–3–10^–4 Торр, что позволяет существенно упростить систему откачки по сравнению с ускорителями с термокатодами, где рабочее давление 10^–6–10^–7 Торр.

Важнейшим достоинством ускорителей на основе в.т.р. является конструкция катодного узла, в качестве которого используется металлическая пластина. Она достаточно проста по сравнению со сложным катодно-сеточным блоком ускорителей на основе термоэмиссии, содержащим ряд протяженных проволочных термоэмиттеров и две сетки с системами компенсации термоудлинения. При этом требуются независимые источники питания накала и сеточного управления.

Катод ускорителя в.т.р., в отличие от термоэмиттеров, не чувствителен к аварийным прорывам атмосферы, его долговечность и надежность на несколько порядков выше аналогичных характеристик термоэмиттеров, в случае необходимости легко обеспечивается возможность его принудительного охлаждения. Кроме того, он обладает значительно более высокой устойчивостью к вибрационным нагрузкам, что имеет существенное значение при использовании ускорителей в транспортируемых вариантах электрофизических установок.

Таким образом, конструкция ускорителей такого типа определяет более высокую надежность его эксплуатации при меньшей стоимости изготовления по сравнению с ускорителями на основе термоэмиттеров. Также принцип действия ускорителя в.т.р. позволяет формировать не только плоские потоки электронов, но при необходимости делать их цилиндрическими с углом обработки внешних или внутренних цилиндрических поверхностей до 180°.

Система питания ускорителей на основе в.т.р. имеет один высоковольтный канал ускоряющего напряжения. Питание вспомогательных источников, обеспечивающих управление током ускорителя, осуществляется со стороны земляного потенциала, в то время как питание катодов и сеточное управление в ускорителях на основе термоэмиттеров осуществляются под полным ускоряющим напряжением.

Изложенные далее результаты исследований являются продолжением разработок широкоапертурных ускорителей на основе в.т.р., представленных в работах [11, 12].

В [11] описан широкоапертурный ускоритель ТУР-М на основе высоковольтного тлеющего разряда, разработанный для целей радиационных технологий. Ускоритель, генерирующий в импульсно-периодическом режиме выведенный электронный пучок сечением 190 × 30 cм² и мощностью до 6 кВт, имел ион-электронную оптическую систему с перфорацией анода в.т.р. и опорной решетки круглыми отверстиями диаметром 6 мм, расположенными в порядке плотной гексагональной упаковки (сотового типа).

Амплитуда импульсов ускоряющего напряжения достигала 250 кВ, частота следования импульсов составляла 100 Гц при длительности импульса 30 мкс, плотность тока выведенного пучка электронов в импульсе – 2 мА/см², что соответствовало среднему по времени значению плотности тока 6 мкА/см². Значения коэффициента вывода пучка достигали 25%. Ускоритель был установлен в пилотную технологическую линию по радиационному отверждению мономер-олигомерных композиций на различных материалах на Тверском комбинате “Искож”, прошел 72-часовые сдаточные испытания и использовался для отработки различных радиационных технологий.

В работе [12] представлен широкоапертурный электронный ускоритель на основе в.т.р. для экспериментального образца генератора озона нового типа на основе несамостоятельного продольного объемного разряда в газоразрядной камере. Генератор озона разрабатывался для очистки воды на водоочистных сооружениях.

В ускорителе применена и.э.о.с. с перфорацией анода и опорной решетки соосными рядами щелей (щелевого типа) и с каналами охлаждения между рядами. Ускоритель имел круглое выводное окно диаметром 50 см с площадью апертуры ~2000 см². Работа ускорителя обеспечивалась в технологическом импульсно-периодическом режиме с частотой следования импульсов 100 Гц и длительностью импульса 25 мкс в течение 4 ч. Амплитуда ускоряющего напряжения 220 кВ, амплитуда тока выведенных электронов до 13 А в импульсе, что соответствовало импульсной плотности тока 6.5 мА/см² или ее среднему значению за период ~16 мкА/см². Коэффициент вывода пучка составлял 32%.

В данной работе представлены результаты исследований широкоапертурного низкоэнергетичного ускорителя электронов на основе в.т.р. На рис. 2 приведена конструктивная схема ускорителя.

В вакуумной камере 3 на высоковольтном проходном изоляторе 4 размещается катод в.т.р. 1, рабочая часть которого представляет собой металлическую пластину. Анод в.т.р. 2 находится под потенциалом “земли” и делит объем ускорителя на два промежутка: ускоряющий А и дрейфовый D. Рабочие зоны анода в.т.р. и опорной решетки 5, на которой лежит фольга 6, перфорированы соосными отверстиями. Опорная решетка с фольгой является выводным устройством ускорителя c сечением выведенного электронного пучка 30 × 45 cм².

При зажигании вспомогательного разряда и подаче на катод в.т.р. высокого напряжения в ускоряющем промежутке загорается несамостоятельный высоковольтный тлеющий разряд. При этом его напряжение пробоя (максимальное значение удерживаемого напряжения) соответствует левой ветви кривой Пашена [13].

Несамостоятельный в.т.р. обеспечивается поджигаемым в дрейфовом промежутке вспомогательным разрядом. Для генерации плазмы использован тлеющий вспомогательный разряд с тонкопроволочными анодами как обеспечивающий наиболее высокую эффективность при относительно простом конструктивном решении. Катодом вспомогательного разряда являются стенки вакуумной камеры в дрейфовом объеме, анодом 7 служат один или несколько электродов в виде тонких вольфрамовых нитей диаметром 0.35 мм, на которые подается напряжение зажигания 1–2 кВ. После зажигания вспомогательного разряда напряжение горения составляет 50–800 В в зависимости от условий: давления, рода газа, наличия дополнительных источников электронной подсветки. В данном ускорителе использованы два источника вспомогательного разряда, расположенные по краям апертуры электронного пучка за ее пределами, с анодами, установленными параллельно длинной стороне выводного устройства.

Для повышения устойчивости горения вспомогательного разряда и расширения его рабочего диапазона по давлению использованы дополнительные источники электронной подсветки в виде отрицательно смещенных относительно “земли” термоэмиттеров. Последние расположены в непосредственной близости от каждого анода вспомогательного разряда и имеют собственные источники питания накала и отрицательного смещения.

В проведенных исследованиях использованы различные варианты ион-электронных оптических систем и рассмотрена возможность работы как в непрерывном, так и в импульсно-периодическом режиме.

Исследовался вариант и.э.о.с. с перфорацией анода в.т.р. и опорной решетки соосными круглыми отверстиями диаметром 10 мм с перемычками между ними 1 мм, расположенными в порядке плотной гексагональной упаковки (сотового типа). Геометрическая прозрачность такой структуры составляет 75%. Предварительные эксперименты показали, что использование анода в.т.р. толщиной 3 мм с отверстиями вышеуказанного диаметра приводит к разрушению фольги в элементарной круглой ячейке выводного устройства (см. рис. 1), что свидетельствует о слишком высокой плотности электронного тока в ячейке. Для уменьшения плотности тока в ячейке необходимо снизить плотность тока ионов на катоде в пределах ячейки путем либо уменьшения диаметра отверстия в аноде в.т.р., либо увеличения толщины анода.

Использование анода, состоящего из двух пластин толщиной 3 мм каждая, перфорированных отверстиями диаметром 10 мм, с промежутком между пластинами 14 мм, привело к резкому уменьшению общего тока ускорителя. Для его увеличения был использован один анод с наложенной на него тонкой сеткой с квадратной ячейкой из проволоки диаметром 0.3 мм с шагом 0.7 мм, геометрической прозрачностью 49%. Такое техническое решение обеспечило уменьшение тока ионов на катод, кроме того, сетка фиксировала положение границы плазмы вспомогательного разряда, с которой происходит извлечение ионов. Однако дополнительная сетка, установленная на тонком аноде, резко уменьшила его суммарную геометрическую прозрачность, что исключило достижение высоких значений коэффициента вывода пучка.

На рис. 3 приведены примеры экспериментально полученных характеристик ускорителя с и.э.о.с. сотового типа. В непрерывном режиме работы ускорителя была получена плотность тока выведенного пучка до 22 мкА/см² при ускоряющем напряжении до 150 кВ и коэффициенте вывода пучка, не превышающем 15%. Точность измерения ускоряющего напряжения составляла ±2%, плотности тока электронного пучка – ±5%.

На следующем этапе исследовался вариант и.э.о.с. с щелевой оптикой. На рис. 4 представлена геометрия использованного варианта щелевой оптики.

Анод и опорная решетка перфорированы с шагом s рядами щелевых ячеек шириной d и длиной l. Длинные оси щелей параллельны длинной стороне выводного устройства. В перемычках шириной B, расположенных с шагом L между рядами щелевых ячеек, могут быть выполнены каналы охлаждения. В табл. 1 приведены геометрические характеристики анода и опорной решетки.

При установке анода относительно опорной решетки обеспечена соосность щелей в аноде и опорной решетке, а перемычка B в опорной решетке находится в “электронной тени” соответствующей перемычки в аноде в.т.р. Результаты исследования характеристик ускорителя с и.э.о.с. щелевого типа приведены на рис. 5–7.

На рис. 5 представлена управляющая характеристика ускорителя при различных ускоряющих напряжениях. Характеристика близка к линейной и демонстрирует хорошую управляемость тока ускорителя током вспомогательного разряда и слабую зависимость от величины ускоряющего напряжения, т.е. возможность независимой регулировки тока и энергии электронов пучка.

Рисунок 6 демонстрирует заметно более высокие значения плотности тока выведенного пучка и коэффициента вывода ускорителя с щелевой оптикой по сравнению с оптикой сотового типа – до 47 мкА/см² и до 35% соответственно.

Результаты объясняются более выгодными оптическими условиями: отсутствием сетки, резко снижающей не только геометрическую прозрачность, но и соосность расположения диафрагм в оптической системе, а также выбранной толщиной анода. При проведении исследований была получена средняя плотность выведенного тока j_max = 56 мкА/см² при ускоряющем напряжении 170 кВ, при этом ограничения по напряжению в непрерывном режиме работы ускорителя были связаны только с типом высоковольтного проходного изолятора и в разработанной конструкции не носили характера принципиальных ограничений высоковольтного тлеющего разряда.

Это подтверждается проведением серии испытаний в импульсно-периодическом режиме работы ускорителя. При работе данного ускорителя без изменений конструкции с оптикой сотового типа и двойным анодом при питании от импульсных систем как по каналу ускоряющего напряжения, так и по каналу вспомогательного разряда были достигнуты плотности тока электронного пучка до 5 мА/см² в импульсе при ускоряющем напряжении до 210 кВ с частотой повторения до 100 Гц импульсов длительностью 30 мкс.

Для оценки характера распределения плотности тока по сечению выведенного пучка электронов проведены измерения в режиме реального времени с помощью измерительной системы [14]. Датчиками тока в системе являлись цилиндры Фарадея со встроенным преобразователем отрицательных значений электронного тока в положительный потенциал, что позволяло компенсировать падение напряжения на датчике до потенциалов, близких к нулю, и обеспечивать корректную оценку тока электронного пучка в данной точке пространства. Эта отличительная особенность измерительной системы является принципиальной, в этом случае цилиндр Фарадея не накапливает заряд поглощенных электронов за время измерения и не вносит заметных искажений в измеряемую величину, поскольку его собственный потенциал близок к нулю. Результаты измерений для ускорителя с и.э.о.с. щелевого типа приведены на рис. 7.

Использовались 32 датчика, размещенных в измерительной матрице в два ряда, по 16 датчиков, с шагом 30 мм. Матрица с датчиками располагалась на расстоянии 15 мм от окна выводного устройства вдоль его длинной стороны. Для получения результатов с большей пространственной точностью данные снимались последовательно, за несколько включений ускорителя с аналогичными параметрами со сдвигом линейки на полшага размещения датчиков, т.е. через 15 мм.

Провалы в распределении плотности тока на рис. 7 обусловлены “электронной тенью” от перемычек в аноде и опорной решетке, при увеличении расстояния от фольги выводного устройства до измерительной матрицы глубина провалов уменьшается.

Приведем более подробное описание ускорителя в составе электрофизической установки. По результатам исследований показано, что ускоритель на основе в.т.р. обеспечивает генерацию электронного пучка сечением 30 × 45 см² как в импульсно-периодическом, так и в непрерывном режиме и может быть использован как для технологических, так и для иных применений. Устройство не предназначено для длительной непрерывной работы, поэтому охлаждение элементов и узлов ускорителя не предусмотрено.

Диапазон рабочих давлений 8 · 10^–4–2 · 10^–3 Торр обеспечивался с помощью форвакуумного агрегата АВД-150/25 с азотной ловушкой и натекателя рабочего газа (азот, гелий). Давление в камере измерялось вакуумметрическими датчиками ПМТ-4М и ПМИ-10-2.

Ускоряющее напряжение до 200 кВ с током до 300 мА в непрерывном режиме подавалось на ускоритель от каскадного высоковольтного генератора ГНК-0.2-0.3 по кабелю КПВ-1/300. Питание высоковольтного генератора – трехфазная сеть с частотой 400 Гц – обеспечивалось статическим преобразователем ПСЧ-50. Управляемый тиристорный регулятор, установленный по первичной стороне ГНК-0.2-0.3, обеспечивал компенсацию выходного напряжения при переходе от режима “холостого хода” работы выпрямителя к режиму работы с нагрузкой. Характерные осциллограммы работы ускорителя в непрерывном режиме приведены на рис. 8.

При работе в импульсно-периодическом режиме использовался высоковольтный модулятор с выходным высоковольтным трансформатором, обеспечивающий ускоряющее напряжение до 220 кВ с током до 25 А в импульсе и частотой до 100 Гц.

Таким образом, по результатам исследований показана возможность получения в широкоапертурных ускорителях на основе в.т.р. высокой плотности выведенного за фольгу тока электронного пучка, до 56 мкА/см², и достаточно высоких коэффициентов вывода пучка, 35%, что превышает значения, ранее достигнутые на ускорителе этого типа. Полученные характеристики сравнимы с параметрами ускорителей на основе системы протяженных термоэмиттеров. Показаны основные конструктивные особенности и достоинства ускорителей с в.т.р. по сравнению с ускорителями на основе ряда протяженных термоэмиттеров. Продемонстрирована возможность работы ускорителя с в.т.р. как в непрерывном, так и в импульсно-периодическом режиме без изменения конструкции. Показаны преимущества ион-электронных оптических систем щелевого типа ускорителей с в.т.р. по сравнению с системами сотового типа.

В заключение необходимо отметить, что выбор того или иного типа широкоапертурного ускорителя электронов должен определяться отдельно в каждом конкретном случае в зависимости от технических требований, условий применения и целей использования.