Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ПОТОКА ЭЛЕКТРОНОВ В СЕЧЕНИИ ИМПУЛЬСНОГО СИЛЬНОТОЧНОГО ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА
СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ПОТОКА ЭЛЕКТРОНОВ В СЕЧЕНИИ ИМПУЛЬСНОГО СИЛЬНОТОЧНОГО ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА

СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ПОТОКА ЭЛЕКТРОНОВ В СЕЧЕНИИ ИМПУЛЬСНОГО СИЛЬНОТОЧНОГО ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Использование: в сильноточных электронно-лучевых приборах, находящих применение в электронной технике и физическом эксперименте. Сущность изобретения: на пути электронного потока помещают мишень-коллектор, регистрируют тепловое излучение с поверхности коллектора в момент времени после импульса элетронного тока, когда прекратилось влияние паразитных излучений, а интенсивность теплового излучения с коллектора превышает предел чувствительности приемной аппаратуры и размытие теплового изображения из-за теплопроводности материала коллектора не превышает предельно допустимого значения. 1 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

   С помощью Яндекс:  

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2006879
Класс(ы) патента: G01T1/29
Номер заявки: 4954174/25
Дата подачи заявки: 27.06.1991
Дата публикации: 30.01.1994
Заявитель(и): Ленинградский государственный технический университет
Автор(ы): Богданов Л.Ю.; Соминский Г.Г.
Патентообладатель(и): Богданов Леонид Юрьевич; Соминский Геннадий Гиршевич
Описание изобретения: Изобретение относится к технике измерения электрических величин, а также к технике определения характеристик потоков частиц и может быть использовано в сильноточных электронно-лучевых приборах, находящих применение в электронной технике и физическом эксперименте.
При конструировании электронных приборов, а также для отыскания эффективных путей их совершенствования необходима информация о структуре электронных потоков, определяющей распределение электрических полей в рабочем пространстве. В сильноточных приборах структура электронного потока определяется сложными процессами у ограничивающих электродов, развитием разнообразных неустойчивостей в объемном заряде и, как правило, не поддается теоретическому описанию. Поэтому особенно важно экспериментальное определение структуры электронного потока.
Известен способ определения структуры электронных пучков, состоящий в том что на пути электронного пучка располагают мишень-коллектор с покрытием из люминофора и фиксируют излучение люминофора, которое отражает распределение плотности тока в поперечном сечении пучка. Этот метод неприменим в устройствах с мощными потоками электронов, которые быстро разрушают покрытие.
Сильноточные электронные системы работают обычно в импульсном режиме. Если удельная энергия Wп, выделяемая электронным потоком на поверхности мишени, превышает (10-1. . . 1) Дж/см2, покрытие существенно разрушается за времена ≈ 10-8. . . 10-7 с, т. е. уже в первом импульсе, если длительность τп импульса тока превышает 10-8. . . 10-7 с.
В мощных импульсных электронных устройствах с уровнем энерговыделения Wп≈1 Дж/см2 и τп 10-8. . . 10-7 с часто структуру электронного потока определяют по следу (афтографу), оставляемому электронным потоком. В этом случае на пути электронного потока располагают мишень-коллектор [2] , например из металла или полимерной пленки, и наблюдают картину разрушения или изменения окраски ее поверхности.
Описанный в [2] способ обладает существенным недостатком, который состоит в том, что необратимые изменения поверхности мишени, произошедшие в первом импульсе, не позволяют повторно использовать эту мишень для регистрации характеристик потока электронов.
Для смены мишени и получения информации о распределении потока электронов с полученного следа требуется вскрыть электронный прибор. Это существенно ограничивает возможности применения метода в экспериментальных исследованиях.
Известен способ определения структуры сильноточного электронного потока по свечению тонких (например, лавсановых) пленок, располагаемых на его пути [3] . Регистрация (например, фотографирование) люминесцентного свечения пленки, пронизываемой электронным потоком, дает информацию о распределении тока в месте установки пленки.
Тонкие пленки с успехом используются для диагностики импульсных потоков длительностью τп 10. . . 100 нс с энергией электронов, при которой длина их свободного пробега λc в материале пленки существенно превышает ее толщину h. Однако в сильноточных устройствах с длительностью электронного тока τп 100 нс, или при относительно малых энергиях электронов, когда τп h, происходит быстрое разрушение пленки, как правило, уже на переднем фронте импульса электронного тока. Это делает невозможным использование в указанных условиях метода тонких пленок.
Известен способ регистрации распределения сильноточного потока электронов по рентгеновскому излучению, образующемуся на мишени-коллекторе при ее бомбардировке. Рентгеновское излучение измеряют с помощью датчиков, помещенных в коллимирующих каналах в свинцовой пластине, располагаемой в непосредственной близости от мишени-коллектора [4] .
Метод успешно применяется для диагностики широкого класса сильноточных электронных устройств, однако не позволяет получать полную картину распределения тока по поверхности мишени с высоким пространственным разрешением (< 1 мм). Это обстоятельство существенно ограничивает возможности применения указанного метода.
В способе-прототипе для получения полной картины распределения электронного потока по поверхности мишени-коллектора образующееся на ней рентгеновское излучение фокусируют на приемное устройство с помощью камеры-обскуры с малым отверстием [5] .
Размер отверстия камеры-обскуры d определяют по требуемому пространственному разрешению Δ по формуле (см. пример реализации способа):
d<Δ>R2/R1+R2, (1) где R1 - расстояние от мишени-коллектора до центра камеры-обскуры;
R2 - расстояние от центра камеры-обскуры до приемного устройства.
Необходимость использования в измерениях с высоким пространственным разрешением камеры-обскуры с малым отверстием приводит к невысокой чувствительности метода. Это ограничивает возможности его применения для диагностики сильноточных электронных потоков [4] .
Цель изобретения состоит в расширении области применения метода регистрации распределения плотности потока электронов в сечении импульсного сильноточного пучка.
Цель достигается тем, что фиксируют тепловое излучение с поверхности мишени-коллектора, нагретого электронным потоком, в моменты времени t после начала импульса электронного потока, определяемые соотношением:
t1 < t < min(t2, t3), (2) где t1 - момент времени после начала импульса электронного потока, когда интенсивность нетепловых излучений, регистрируемых приемным устройством, становится меньше интенсивности тепловых;
t2 - момент времени после начала импульса электронного потока, когда интенсивность теплового излучения при своем падении достигает значения, соответствующего порогу чувствительности приемного устройства;
t3 - момент времени после начала импульса электронного потока, когда расплывание теплового изображения электронного потока на мишени из-за ее теплопроводности достигает максимально допустимого значения Δ, определяемого требованиями пространственного разрешения.
Предлагаемый способ, в отличие от прототипа, позволяет для широкого класса сильноточных устройств с высоким пространственным разрешением и высокой чувствительностью определять структуру электронного потока, выявляя важные для практических приложений нестационарности электронного потока, а также его изменения при изменении ускоряющего напряжения и магнитного поля, геометрического положения катода или других параметров, определяющих характеристики электронного потока.
Рассмотрим пример реализации предлагаемого способа.
На чертеже показана схема экспериментальной установки, на которой был реализован способ, где 1 - холодный трубчатый катод; 2 - металлический канал транспортировки электронного потока; 3 - электронный поток; 4 - соленоид, создающий магнитное поле в канале транспортировки; 5 - мишень-коллектор электронов; 6 и 7 - окна в коллекторной камере 8; 9 - зеркало; 10 - ось вращения коллектора; 11 - линза; 12 - электронно-оптический преобразователь (ЭОП). Канал транспортировки и коллекторная камера находятся под потенциалом земли. При подаче на катод 1 относительно земли отрицательного импульса напряжения Uп амплитудой U 100 кВ (при использовании термокатода формирование электронного пучка и измерения возможны и при меньших значениях напряжения Uп) в результате взрывной эмиссии с катода формируется электронный поток 3, который распространяется вдоль магнитного поля до коллектора 5 и бомбардирует его поверхность, нагревая ее. Излучение с поверхности коллектора попадает на зеркало 9. Отраженное излучение через окно 7 линзой 11 фокусируется на вход ЭОП 12. В изображенном на чертеже электронном приборе предусмотрена возможность поворота коллектора вокруг оси 10. Это позволяет в качестве бомбардируемой мишени использовать разные поверхности коллектора. Повернув мишень-коллектор, можно через окно 6 контролировать состояние его поверхности, меняющееся в процессе бомбардировки.
Прошедшее через окно 7 излучение направляется с помощью линзы на вход ЭОП имеющего импульсное питание. ЭОП передает изображение с входа на выход только при подаче на него импульсного напряжения Uэ. Регулируя сдвиг во времени Δ t импульса Uэ относительно импульса Uп, можно наблюдать светящееся изображение коллектора в разные моменты времени. При этом длительность наблюдения светящейся картинки определяется длительностью τэ импульса Uэ.
Изображение с выхода ЭОП фотографируется или с помощью телевизионной камеры вводится в ЭВМ и хранится в памяти электронной машины.
Как показали проведенные испытания, на вход ЭОП попадает не только тепловое излучение с мишени, но также излучение коллекторной плазмы, возникшей под действием электронной бомбардировки, и рентгеновское излучение (см. , например, [2] ). Если t больше длительности электронного потока τп, рентгеновское излучение прекращается, а интенсивность теплового и плазменного излучений падает с ростом t. Согласно проведенным испытаниям, интенсивность теплового излучения падает медленнее, чем интенсивность излучения плазмы.
Тепловое изображение электронного потока на коллекторе можно выделить на фоне плазменного излучения при t > t1, где t1 - момент времени, когда эти два вида излучений становятся равными по величине на выходе ЭОП. При дальнейшем увеличении t возрастает контраст теплового изображения на фоне плазменного, но уменьшается его интенсивность и происходит размытие изображения из-за теплопроводности материала мишени.
Интервал времени, в течение которого удается зарегистрировать изображение, в связи с этим ограничивается сверху минимальным из времен t2 и t3, где t2 - момент времени, когда интенсивность теплового изображения при своем падении достигает значения, соответствующего порогу чувствительности приемного устройства, а t3 - момент времени, когда расплывание Δ r теплового изображения достигает минимально допустимого значения Δ, ограничиваемого требованиями по пространственному разрешению.
Величина t3 определяется соотношением
t3 = Δ2/4a, (3) где a = λ/cρ - коэффициент температуропроводности материала мишени;
λ - коэффициент теплопроводности материала мишени;
с - коэффициент теплоемкости материала мишени;
ρ - удельная плотность материала мишени.
При типичных для металлической мишени значениях ρ = 8 г/см3, с = 0,5 Дж/град; λ = 0,5 Вт/см˙град имеем a≃0,1 см2/с. Изображение при этом расплывается на 10 мкм за время ≈ 3 мкм. Если принять, например, что Δ = 0,1 мм для полого цилиндрического потока электронов с толщиной стенки ≈ 1 мм, то t3≃250 мкс. Согласно проведенным измерениям время наблюдения теплового изображения электронного потока на мишени-коллекторе ограничивалось падением интенсивности теплового излучения до уровня чувствительности приемной аппаратуры и составило величину t2 ≃150 мкс. Время t3 может ограничивать возможное время регистрации изображения при необходимости, например, выявления мелкомасштабных особенностей тонкостенных пучков.
Проведенный анализ свидетельствует, что значения t1 и t2 могут быть определены экспериментально, а величина t3 поддается теоретической оценке. Для исследованного экспериментального прибора t1≃10 мкс, а t2≃150 мкс.
Предлагаемый способ регистрации распределения плотности потока электронов позволяет выявить неоднородности электронных пучков в разнообразных электронных устройствах с существенно отличающимися элементами конструкции, при разных значениях ускоряющего напряжения Uп, тока Iп потока и длительности τп импульсов. Применение метода ограничивается снизу чувствительностью приемной аппаратуры. В проведенных измерениях удельная энергия Wп, определяемая соотношением
Wп = UпIпτп/Sп, (4) где Sп - площадь сечения потока электронов, была порядка 50. . . 100 Дж/см2. При этом запас по чувствительности с применяемой аппаратурой составлял приблизительно 1000. Ограничения применения способа сверху могут быть связаны с такими воздействиями электронного потока, в результате которых происходит разрушение мишени-коллектора. Проведенные измерения свидетельствуют, что при значениях Wп ≈ 100 Дж/см2 мишени из нержавеющей стали позволяют определять на основе теплового изображения структуру электронного пучка не менее, чем в 100 импульсах. (56) 1. Kyhl K. L. Webster H. F. IRE Trans Elektron Dev. v. ED-3, N10, p. 172-183.
2. Бугаев С. П. , Ильин В. П. , Кошелев В. И. и др. В сб. Релятивистская высокочастотная электроника. г. Горький. Изд. ИПФ АН СССР, 1979, с. 5-75.
3. Кременцов В. И. , Стрелков П. С. , Шкварунец А. Г. Измерение параметров релятивистского сильноточного электронного пучка методом регистрации свечения тонких диэлектрических пленок. ЖТФ, 1980, т. 50, т. 11, с. 2469-2472.
4. Дувидзон В. М. , Маркевич О. С. , Свинцов В. В. и др. Узел рентгеновской диагностики радиального распределения плотности электронного пучка. ПТЭ, 1990, с. 192-194.
5. Бакшаев Ю. Л. , Басманов А. Б. , Блинов П. И. и др. Динамика структуры микросекундных РЭП. Физика плазмы, 1989, т. 15, N 8, с. 992-999.
Формула изобретения: СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ПОТОКА ЭЛЕКТРОНОВ В СЕЧЕНИИ ИМПУЛЬСНОГО СИЛЬНОТОЧНОГО ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА, состоящий в том, что на пути электронного пучка располагают мишень-коллектор и фиксируют излучение с поверхности мишени-коллектора, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения, фиксируют тепловое излучение с поверхности мишени, бомбардируемой электронным пучком, в момент времени t после начала взаимодействия импульса электронного пучка с мишенью, определяемый соотношением
t1 < t < min(t2, t3),
где t1 - момент времени после начала взаимодействия импульса электронного пучка с мишенью, когда интенсивность нетепловых излучений, регистрируемых приемным устройством, становится меньше интенсивности тепловых;
t2 - момент времени после начала взаимодействия импульса электронного пучка с мишенью, когда интенсивность теплового излучения при своем падении достигает значения, соответствующего порогу чувствительности приемного устройства;
t3 - момент времени после начала взаимодействия импульса электронного пучка с мишенью, когда расплывание теплового изображения электронного пучка на мишени из-за ее теплопроводности достигает максимального допустимого значения, определяемого требованиями пространственного разрешения.