Файл: Ненакаливаемые катоды..pdf

ничивающим применение этих эмиттеров, является пока недостаточная однородность эмигрирующих элементов. Можно надеяться, что в ближайшие годы это затрудне­ ние будет преодолено.

Некоторые примеры реализации больших плотностей автоэлектронного тока в сильноточных импульсных устройствах. Возможность получения больших токов при использовании АЭЭ в настоящее время надежно подтвер­ ждена экспериментально. Уже в ранних работах [15, 59] сообщалось о получении токов порядка единиц и десятков ампер от одиночных эмиттеров с радиусом всего КС4 см, работавших при напряжениях десятки киловольт. При напряжении 300 кВ в радиусе эмиттера 6-10^4 см им­ пульсный ток достигал 140 А [30].

Шарбонье и др. [46] приводят интересные данные о получении токов до 10 А от системы тонких острий (200 шт., г^Ю -5 см), используемой в устройствах СВЧ при низких анодных напряжениях ( ~ 10 кВ). Недавно на многоострийном катоде из 25 элементов в наносекундном диапазоне длительностей импульсов получены токи до 200 А при напряжении всего 50 ... 60 кВ [122]. Эти значения токов соответствуют средней плотности тока на одно острие ~ 2 -10® А/см2. Стабильность эмиссии от им­ пульса к импульсу в этом случае была не хуже 2,5%. Чисто автоэмиссионный режим работы катода контроли­ ровался по появлению автоэмиссионных картин (см.

рис. 7.25).

Многоострийные катоды с большими импульсными автоэлектронными токами 103 ... 104 А описаны в рабо­ тах [103, 104, 126], рекламных проспектах и бюллетенях фирмы ФЭК (Филд Эмишн Корпорейшн). Эти катоды работают при напряжениях 105 ... 2-10° В и длитель­ ностях импульса 2 -10“:' ... 10-7 с.

Гигантские импульсные электронные токи в диапазо­ не напряжений 2 ... 3 МВ и более от пенакаливаемых катодов в виде одного и нескольких грубых макроострий наблюдались в работах Робертса и Беннета (30 кА, [127]), Грейбила и Набло (30 кА, [129]), Форда, Мартина, Слона и Линка [130] и недавно на установке Гермес-2 (до 170 кА, [131]). Отметим здесь, однако, что хотя авто­ ры этих работ относили наблюдаемые электронные токи к автоэмиссионным, механизм эмиссии электронов в этих устройствах пока окончательно не ясен. Имеются доволь­ но веские аргументы, свидетельствующие, что основное

260

высвобождение электронов происходит не в процессе чи­ стой АЭЭ, а в начальных стадиях вакуумного пробоя

(см. гл. 8).

Период серьезного практического освоения АЭЭ свя­ зан с исследованиями, проводимыми фирмой Филд Эмишн Корпорейшн. В настоящее время фирма произ­ водит уникальные коммерческие приборы: импульсные рентгеновские аппараты для регистрации быстропротекающих процессов [30, 132—134], устройства для имита­ ции мощных источников радиации [30, 126], малогабарит­ ные медицинские рентгеновские аппараты [30], СВЧ при­ боры [46, 104] и др.

Отличительной особенностью сильноточных импульс­ ных электронных ускорителей, изготавливаемых фирмой, является независимое, раздельное расположение источ­ ника электронов в отпаянной трубке*). Такое решение позволяет легко получать в области АЭК высокий ва­ куум, необходимый для его стабильного функциониро­ вания, осуществлять быструю замену электронной пуш­ ки и вариацию электронных источников в зависимости

составляет примерно 10-12 мм рт. ст. [30, 104, 135]. Для получения такого высокого вакуума и его сохранения в отпаянном объеме необходимо соблюдать жесткие усло­ вия тренировки всех внутренних деталей трубки и ис­ пользовать специальные стекла, непрозрачные для атмо­ сферного гелия [19]. Можно отметить, однако, что, повидимому, вакуумные условия в этих трубках являются несколько завышенными, так как импульсная работа автоэмиссионного источника позволяет осуществлять не­ прерывное или периодическое восстановление чистоты его поверхности путем прокаливания. Такой режим экс­ плуатации дает, по-видимому, возможность снизить тре­ бования, предъявляемые к вакууму, до 10-9 ... 10_6 мм рт. ст. [21, 23, 116].

В рассматриваемых электронных ускорителях с АЭК используется два типа отпаянных трубок: с выпуском

*> Конструирование импульсных рентгеновских трубок, работаю­ щих на основе начальных стадий вакуумного пробоя, ведется в Советском Союзе Цукерманом и его сотрудниками. Описание этих устройств дано в недавних обзорах [138, 139], а также в только что опубликованных работах [140—142].

261

электроны от многоострийного АЭК падают на антикатод в виде иглы с радиусом закругления примерно 1 мм.

Рис. 7.34. Трубка Фекси­ трон:

рассеянию энергии, выделяемой электронным пучком, и позволяет получить достаточно узконаправленный источ­ ник рентгеновского излучения. Диаметр рентгеновского источника составляет при этом 3 ... 5 мм. Недостатком трубок с внутренним антикатодом является их быстрое изнашивание. Как указывается в патентах и бюллетенях фирмы, основное ограничение срока службы трубок Фе­ кситрон связано именно с этим обстоятельством [135].

отводятся во внешнее пространство через окно в виде

tron beams Device) — устройство для получения электронных пучков. 262

Ч

103 ... 5-103. Ограничение числа включений, так же как и в случае Фекситрона, по-видимому, связано не с измене­ нием свойств катода, а с разрушением окна-фольги.

Вывод электронов во внешнее пространство позволя­ ет осуществить эффективную фокусировку электронного пучка непосредственно на мишени или внешнем антика-

Алюминиевая

Рис. 7.36, Различные способы включения трубки с выпуском элек­ тронного пучка:

а — получение рентгеновской вспышки с внешним антикатодом; б — получение интенсивного электронного потока с внешней фокусировкой; в — одновремен­ ное фотографирование объекта в рентгеновских лучах и в электронном потоке; г — получение интенсивных вспышек светового излучения. / — ЛЭК; 2 — окнофольга для выпуска электронов; 3 — тонкая часть объекта, изображение кото­ рого в электронах получают на фотопластинке 5; 4 — массивная часть объекта,

экспонируемая в рентгеновских лучах на фотопластинке 6.

тоде (рис. 7.36,6). При этом оказывается возможным предотвратить перегрузку окна, пропуская через него рассеянный пучок с плотностью, значительно меньшей, чем на объекте.

Трубки типа Фебетрон могут использоваться для одновременного получения рентгеновского излучения и

264

267

Интенсивные импульсные источники электронов и рентгеновских лучей находят применение в самых раз­ личных областях физического эксперимента и техники.

Отметим некоторые из них.

1. Скоростная рентгенография и бетаграфия быстропротекакмцих процессов и движущихся объектов в плот­ ных средах. С помощью этой методики оказывается воз­ можным наблюдать, например, за работой различного типа двигателей непосредственно в рабочей камере, изучать последовательность механизма формовки дета­ лей при ударной нагрузке прямо в объеме формы, ис­ следовать динамику взрывных процессов, решать многие баллистические задачи. Получение изображений в элек­ тронных лучах («бетаграфия») дает возможность иссле­ довать объекты с малой плотностью и малыми геомет­ рическими размерами. Временное разрешение определя­ ется минимальной длительностью импульса, необходимой для обеспечения фоторегистрации. При фотографирова­ нии в рентгеновских лучах и электронном потоке в по­ следних моделях аппаратов достигнуты экспозиции до двух наносекунд [134]. Пространственное разрешение достигает при рентгенографировании порядка 25 мкм и при бетаграфии нескольких микрон. Максимальная ча­ стота следования кадров в системе многокадровой съемки составляет до 106 кадр./с.

2. Исследование эффектов, возникающих при взаимо­ действии мощных электронных к рентгеновских потоков с различными средами. В современных устройствах сАЭК достигнуты дозы радиации 10я ... 10й Р/с и при облучении электронами до 10t3 ... 1015 эл/с. При анод­ ном напряжении 0,6 МВ и токах 10 кА достигнуты очень высокие значения плотности электронного потока, дости­

использовании внешней фокусировки электронного пучка составляет 500 Дж/см2. Преимущество использования электронного пучка в качестве инструмента интенсивного импульсного воздействия на различные среды состоит в возможности четкой дозировки его энергии и плотно­ сти посредством изменения анодного напряжения и плот­ ности тока. Короткие времена воздействия позволяют отделить процессы, связанные непосредственно с возбуж­ дением объекта, от последствий этого воздействия. Большие скорости ввода энергии приводят к интересным

268

эффектам, связанным с изменением структуры материа­ лов, резким изменением характера их проводимости и др. Концентрированное введение энергии в малые объ­ емы вещества дает возможность реализовать условия

сочень высокими температурами и давлениями.

3.Электронные пучки с энергиями в несколько сотен киловольт и плотностями токов 102 ... 104 А/см2 могут

найти применение для электронного возбуждения кван­ товых генераторов и в качестве эффективных инжекто­ ров монохроматических электронов для ускорителей тя­ желых заряженных частиц на большие энергии.

4. Интересные возможности применения интенсивных электронных и рентгеновских пучков открываются в об­ ласти исследования химии высоких температур, радио­ лиза, короткоживущих радикалов, а также в биологии, медицине и других областях.

Г л а в а 8

Взрывная электронная эмиссия начальных стадий вакуумных разрядов

8.1. Введение

Эффективным способом получения мощных электрон­ ных потоков является извлечение их из катода в началь­ ных стадиях вакуумного пробоя. Несмотря на то, что способ этот был известен сравнительно давно, механизм эмиссии электронов при вакуумных разрядах стал осо­ знаваться в самые последние годы. По плотности тока, сильной зависимости от напряженности электрического поля и отсутствию специальных затрат на накаливание катода эти источники электронов имеют некоторое внешнее сходство с АЭК, что неоднократно приводило к их отождествлению. Какие-либо специальные публика­ ции, обобщающие данные, накопленные по катодам, по­ строенным на основе вакуумного пробоя, отсутствуют. Одной из задач настоящей главы является попытка си­ стематизировать основные результаты исследований по ненакаливаемым источникам электронов этого типа.

Разработка ненакаливаемых интенсивных импульс­ ных источников электронов тесно связана с историей создания рентгеновских аппаратов. Первые сообщения

269

об использовании ненакалнваемого катода,для получе­ ния импульсных рентгеновских вспышек были сделаны независимо Штенбекэм [1], а также Кингдоном и Танисом [2]. В качестве источника электронов авторы [1, 2] использовали искру вспомогательного разряда между ртутным катодом и поджигающим электродом. Рентге­ новские трубки наполнялись парами ртути с давлением 10~4 ... 10_3 мм рт. ст. Первые вакуумные импульсные рентгеновские трубки разработали Слэк и Эрк |3]. В качестве источника электронов они также использо­ вали искру, которая возбуждалась между катодом и вспомогательным электродом, при приложении к нему импульса напряжения. Впоследствии для стабилизации возбуждения поджигающей искры и увеличения количе­ ства образующейся в ней плазмы в промежуток между поджигающим электродом и катодом начали вводить ди­ электрик. В дальнейшем катоды с поджигающей искрой нашли широкое применение [3—7] для получения элек­ тронных токов, в рентгеновских аппаратах и для комму­ тации больших токов.

Механизм нарастания тока электронов в газонапол­ ненных рентгеновских трубках был рассмотрен в рабо­ тах Штенбека [1] и Финфера (4]. Они считали, что про­ текающий между электродами начальный электронный ток ионизует остаточный газ. Это приводит к накопле­ нию в зазоре положительных ионов, в то время как элек­ троны из-за большей подвижности уходят на анод. На­ копление положительного объемного заряда приводит ко все более полной компенсации отрицательного заряда электронов и увеличению вследствие этого электронного тока. Согласно этому механизму при разряде емкости на трубку е таким источником длительность импульса элек­ тронного тока должна уменьшаться с ростом давления [4]. Это подтверждается при давлениях 10-4 ... 10~3 мм рт. ст. [4, 6]:

Пытаясь объяснить процесс роста электронного тока в вакуумных трубках во времени, Флинн [6] предполо­ жил, что между фронтом плазмы поджигающей искры и анодом протекает электронный ток, ограниченный соб­ ственным объемным зарядом. По мере движения плазмы в глубь промежутка расстояние фронт плазмы — анод сокращается, вследствие чего ток электронов растет. Механизм Флинна [6] был успешно использован впослед­ ствии в ряде работ [14, 16] для расчета формы импуль-

270