Ускорение ионов, электронов и рентгеновское излучение в катодном пятне вакуумной дуги

Рассмотрены механизмы появления в катодных пятнах вакуумной дуги ускоренных ионов, электронов и рентгеновского излучения. Эти явления связаны с импульсной природой токов в ячейках катодного пятна. На переднем фронте импульса тока за счёт индуцированного электрического поля ускоряются ионы прикатодно...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Veröffentlicht in:Вопросы атомной науки и техники
Datum:2006
1. Verfasser: Андреев, А.А.
Format: Artikel
Sprache:Russisch
Veröffentlicht: Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2006
Schlagworte:
Online Zugang:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81087
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:Ускорение ионов, электронов и рентгеновское излучение в катодном пятне вакуумной дуги / А.А. Андреев // Вопросы атомной науки и техники. — 2006. — № 5. — С. 69-72. — Бібліогр.: 18 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1860132682443259904
author Андреев, А.А.
author_facet Андреев, А.А.
citation_txt Ускорение ионов, электронов и рентгеновское излучение в катодном пятне вакуумной дуги / А.А. Андреев // Вопросы атомной науки и техники. — 2006. — № 5. — С. 69-72. — Бібліогр.: 18 назв. — рос.
collection DSpace DC
container_title Вопросы атомной науки и техники
description Рассмотрены механизмы появления в катодных пятнах вакуумной дуги ускоренных ионов, электронов и рентгеновского излучения. Эти явления связаны с импульсной природой токов в ячейках катодного пятна. На переднем фронте импульса тока за счёт индуцированного электрического поля ускоряются ионы прикатодной плазмы в сторону анода, появляется рентгеновское излучение из-за торможения на катоде электронов, ускоренных этим же полем в противоположном направлении. На заднем фронте импульса индуцированным полем ускоряются электроны в сторону анода. Розглянуті механізми виникнення в катодних плямах вакуумної дуги прискорених іонів, електронів і
 рентгенівського випромінювання. Ці явища зв'язані з імпульсною природою струмів в чарунках катодної
 плями. На передньому фронті імпульсу струму за рахунок індукованого електричного поля прискорюються
 іони прикатодної плазми в бік анода, з'являється рентгенівське випромінювання через гальмування на катоді електронів, прискорених цим же полем в протилежному напрямку. На задньому фронті імпульсу в бік аноду
 індукованим полем прискорюються електрони. The causes of appearance of accelerated ions, electrons and X-rays in cathode spots were considered. These phenomena
 are connected with pulse nature of the currents in cathode spot sells. Оn the forward current pulse front, because
 of induced electric field, plasma ions near cathode are accelerated to the anode side, and thus X-rays because
 of braking electrons , which were accelerated by same electric fiеld, are appeared. On the back pulse front the electrons
 are accelerated by the induced electric field to anode side.
first_indexed 2025-12-07T17:45:07Z
format Article
fulltext ГАЗОВЫЙ РАЗРЯД, ПЛАЗМЕННО-ПУЧКОВЫЙ РАЗРЯД УСКОРЕНИЕ ИОНОВ, ЭЛЕКТРОНОВ И РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕ- НИЕ В КАТОДНОМ ПЯТНЕ ВАКУУМНОЙ ДУГИ А.А. Андреев Национальный научный центр “Харьковский физико-технический институт” Харьков, Украина Рассмотрены механизмы появления в катодных пятнах вакуумной дуги ускоренных ионов, электронов и рентгеновского излучения. Эти явления связаны с импульсной природой токов в ячейках катодного пятна. На переднем фронте импульса тока за счёт индуцированного электрического поля ускоряются ионы прика- тодной плазмы в сторону анода, появляется рентгеновское излучение из-за торможения на катоде электро- нов, ускоренных этим же полем в противоположном направлении. На заднем фронте импульса индуциро- ванным полем ускоряются электроны в сторону анода. PACS: 52.80.Mg За последнее время в плазменных потоках ми- кросекундных вакуумных дуг с токами около 10 А обнаружены металлические ионы с энергиями, до- стигающими 10 кэВ, в то время как при более дли- тельных дугах энергия ионов обычно находится в пределах 100 эВ. Авторы объясняют увеличение энергии ионов гидродинамическим режимом увле- чения частиц расширяющимся в вакуум электрон- ным газом [1], газодинамическим ускорением плаз- менных потоков, обусловленных высоким градиен- том давления плазмы вблизи катода [2,3], магнито- гидродинамическими силами, связанными с проте- кающим в плазменной струе током и приводящими к сжатию струи собственным магнитным полем [4,5]. Эти теории не в полной мере объясняют меха- низмы ускорения ионов, в особенности, что касается зависимости их энергии от кратности заряда. В вакуумно-дуговой плазме обнаружены также по- токи электронов, ускоренные до энергий 50…1000 эВ [6-8]. В низковольтном разряде при токах 10…20 А эти потоки представляют собой серию вспышек общей её длительностью около 50 нс, возникающих, главным образом, при погасании катодных пятен. В работе [6] энергия ускоренных электронов оценивается в 50 эВ, что более чем на порядок, превышает энергию элек- тронов в плазме дугового разряда (1...3 эВ [9]). Пред- полагаемой причиной ускорения электронов автор [6] считает развитие плазменных волн при разрядных неу- стойчивостях, в частности, при погасании катодного пятна, что недостаточно убедительно. Согласно [8] электроны с энергией более 1 кэВ регистрируются при больших (более 100 кА) токах дуги (когда скорость возрастания тока достигает 1013 А/с). Представляют интерес сведения о генерации им- пульсов рентгеновского излучения длительностью 0,03…1,5 нс из катодного пятна [8,10], причём эти импульсы совпадают по времени и длительности с импульсами потоков высокоэнергетичных ионов [8]. Установлено, что при напряжении разряда 2,7 кВ длительность импульсов рентгеновского излучения составляет 30…200 пикосекунд. При более низких напряжениях (до 150 В) их длительность колеблется в диапазоне 0,03…2,5 нс. Излучение происходило из отдельных центров (их может быть несколько) раз- мерами около 0,6…3 мкм. Автор [10] объясняет причины возникновения и параметры пучков рент- геновского излучения процессами, связанными с быстрыми изменениями собственного магнитного поля ячейки в её плазменном канале диаметром 2 мкм и плотностью 1026 м-3, которые приводят к флуктуациям электрического поля до нескольких киловольт и более. По-видимому, существуют несколько механиз- мов ускорения ионов и электронов. Причины воз- никновения рентгеновского излучения требуют до- полнительного рассмотрения. В данной статье рассматриваются механизмы ускорения ионов, элек- тронов и появления рентгеновского излучения, объединённые единой электронно-магнитной моде- лью катодного пятна [11]. Катодное пятно состоит из значительного коли- чества (до нескольких десятков) одновременно су- ществующих ячеек с диаметром порядка 1 мкм. Ток через ячейку представляет собой импульс длитель- ностью 10-7...10-9 с, длительность его переднего и заднего фронтов порядка 10-9 с [12,13]. Амплитуда тока в импульсе составляет несколько ампер [12]. Во время прохождения импульса тока в результате изменения собственного магнитного поля ячейки в её окрестностях индуцируются электрические поля, величина которых достигает более 3,5·107 В/см [14]. Под действием этих полей по периметру ячейки, где магнитные поля максимальны и, соответственно, максимальны dH/dt, протекают индуцированные токи, аналогичные гало-токам, возникающим в плаз- ме токамака при прохождении по ней импульсов раз- рядного тока и направленными противоположно ему, т.е. по периметру токового канала Еи>E0 [15]. Таким образом, вокруг ячейки у поверхности катода образу- ются скрещённые Е×Н-поля, величина которых убы- вает с увеличением от центра ячейки как 1/R [11]. При увеличении тока индуцированное электри- ческое поле Еи направлено противоположно основ- ному Е0 (Рис.1). Ионы из прикатодной плазмы движутся в направлении анода, ускоряясь до энергий, определя- емых полем Е =Еи–Е0 (поскольку по периметру ячейки Eи>E0). Энергия ускоренных ионов зависит от скорости возрастания тока в ячейке и, как видно из Рис.2, может достигать 1 кэВ. ___________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2006. № 5. Серия: Плазменная электроника и новые методы ускорения (5), с.69-71. 69 Рис.1. Схема электрических и магнитных полей ячейки при возрастании в ней тока. Е0, Eи – основ- ное и индуцированное электрические поля; I0, Iи – основной и индуцированный токи ячейки; Iк – ток, протекающий по катоду; Н0, Ни, Нк – маг- нитные поля, созданные этими токами [11] Рис.2. Зависимость средней энергии ионов от скоро- сти возрастания тока в вакуумной дуге для ионов Cu+ (□) Cu2+ (●) [16] Однако вследствие высокой плотности прикатод- ной плазмы (порядка 1026 м-3 [17]) они теряют энер- гию и кратность заряда на столкновениях с её части- цами. Поэтому средняя энергия и заряд ионов уменьшаются с увеличением коэффициента эрозии катода, который непосредственно характеризует плотность и объём плазменного факела [2,3]. В частности, они уменьшаются по мере увеличения температуры катода [18], когда растёт коэффициент эрозии [13]. Как видно из табл. 1 и 2 даже относи- тельно небольшое изменение температуры катода приводит к существенному снижению средней энер- гии и кратности заряда ионов. Таблица 1. Влияние температуры катода на сред- нюю энергию ионов и зарядовый состав ионного компонента плазменных потоков при I∂ = 100 A, p=7⋅ 10-4Па [18] Тк,К Eiz/Z, эВ niz⋅υ iz/∑niz⋅υ iz,% Ti1+ Ti2+ Ti3+ Ti1+ Ti2+ Ti3+ 390 57 35 21 17 81 2 620 33 22,5 9 29 69 2 770 32 22 7 34 65 1 Поэтому высокоэнергетичные ионы фиксируют- ся при кратковременных дугах (микросекундных), когда поверхность катода не успевает нагреться, и отсутствуют при длительных (миллисекундных и более), когда повышается температура этой поверх- ности. В случаях, когда dI/dt ~1013 А/с, например, при высоковольтных пробоях, индуцированное электрическое поле Еи соответственно на четыре по- рядка больше по сравнению с обычной низковольт- ной дугой и количество высокоэнергетичных ионов и их энергии существенно возрастают [2,3,16]. Таблица 2. Зависимость относительного содержа- ния ионов молибдена различной кратности заряда в плазменном потоке от интегральной температуры катода и тока дуги (p =7⋅ 10-4 Па) [18] Тк, К I∂, А nizυiz/∑ nizυiz, % Mo1+ Mo2+ Mo3+ Mo4+ Mo5+ Mo6+ 410 90 3 47 39 9 1,5 0,5 560 90 5 83 11 1 0.5 − 560 220 6 82 10 2 − − Одновременно индуцированное электрическое поле Еи ускоряет электроны прикатодной плазмы в сторону катода, где они тормозятся у его поверхно- сти, вызывая рентгеновское излучение [8,10], всплески которого совпадают во времени с импуль- сами высокоэнергетичных ионов [8]. В низковольт- ной дуге величина dI/dt составляет порядка 109 А/с, Еи, следовательно, ускорение электронов относи- тельно невелико [6] и излучение практически отсут- ствует. При увеличении напряжения на дуге скорость изменения тока существенно увеличивается, о чём можно судить по длительности импульса излучения (0,03…0,2 нс), – излучение становится более жёстким [10]. Это же подтверждается и в работе [8], где в вы- соковольтной дуге при токах 100 кА и соответствен- но dI/dt около 1013 А/с электроны ускоряются до вы- соких энергий и рентгеновское излучение жёсткое. При уменьшении тока ячейки (на заднем фронте импульса) индуцированное электрическое поле Еи совпадает по направлению с основным (Рис.3). Оно ускоряет ионы в сторону катода, а электро- ны в сторону анода. При погасании катодного пятна, когда большинство ячеек гаснет за короткое время (~ 50 нс), суммарный поток ускоренных электронов хорошо заметен. При малых токах дуги (10...20 А), когда dI/dt относительно невелико, энергия электро- нов составляет ~50 эВ [6]; при dI/dt ~1013 А/c их энергия превышает 1 кэВ [8]. Рис.3. Схема электрических и магнитных полей ячейки при снижении в ней тока [10] Таким образом, ускорение ионов, рентгеновское излучение и его совпадение во времени с импульса- ми высокоэнергетичных ионов, импульсы ускорен- ных электронов можно объяснить при помощи элек- тронно-магнитной модели катодного пятна [11]. ВЫВОДЫ _______________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2006. № 5. Серия: Плазменная электроника и новые методы ускорения (5), с.70-72. 70 1. Одной из причин появления высокоэнергетич- ных ионов в плазменных потоках вакуумной дуги яв- ляется их ускорение индуцированным электрическим полем Еи, которое возникает во время прохождения переднего фронта импульса тока в ячейке катодного пятна и направлено против основного электрического поля. При прохождении прикатодной плазмы эти ионы частично теряют значительную часть энергии и крат- ности заряда. Этим можно объяснить зависимость энергии и кратности заряда ионов от коэффициента эрозии катода, в том числе и от его температуры. 2. При спаде тока ячейки индуцированное элек- трическое поле Еи, совпадающее по направлению с основным, может ускорять электроны прикатодной плазмы в сторону анода до величин в несколько кэВ. При погасании катодного пятна, когда большинство ячеек гаснут за короткое время, потоки ускоренных электронов суммируются и их потоки более заметны. 3. Во время переднего фронта тока в ячейке ин- дуцированное электрическое поле Еи ускоряет элек- троны прикатодной плазмы в направлении катода, что является причиной появления тормозного рент- геновского излучения с его стороны. При малых то- ках (<100 A) низковольтной дуги рентгеновское из- лучение практически отсутствует. ЛИТЕРАТУРА 1.I.A. Krinberg, M.P. Lukovnikova, V.L. Paperny. Steady-state expansion of current-carrying plasma into vacuum // Sov. Phys. JETF. 1990, v.70 (3), p.451-459. 2.I.I. Beilis. Ion acceleration in vacuum arc cathode plasma jets with large rates of current rise // IEEE Transactions on Plasma Science. 2005, v.33, №5, p.1537-1541. 3. I.I. Beilis. Nature of high-energy ions in the cathode plasma jet of a vacuum arc with high rate of current rise // Applied Physics Letters. 2004, v.85, №14, p.2739- 2740. 4.С.П. Горбунов, В.И. Красов, В.Л. Паперный. Про- тяжённая область «аномального» ускорения в катод- ной струе вакуумного разряда // Письма в ЖТФ. 1998, т.24, №4, с.66-70. 5.I.A. Krinberg, V.L. Paperny. Pinch effect in vacuum arc plasma sources under moderate discharge currents // J. Phys. D: Appl Phys. 2002, v.35, p.549-562. 6.I.L. Musukin. Time-resolved investigations of the ac- celerated electron flow from the cathode region of a vacuum arc // IEEE Transactions on Plasma Science. 2005, v.33, №5, p.1560-1563. 7.S.A. Popov, D.I. Proskurovsky, A.V. Batrakov. For- mation of accelerated electron flows in a low-current pulsed vacuum discharge. Proc. 19-th Int. Symp. on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum, Xi′an. 2000, p.252-255. 8. V.I. Baryschnikov and V.L. Paperny. On electron temperature in the cathode plasma of a pulse vacuum discharge // J. Phys. D: Appl. Phys. 1995, v.28, p.2519- 2521. 9.В.М. Лунёв, В.Г. Падалка, В.М. Хороших. Исследова- ние некоторых характеристик плазмы вакуумной метал- лической дуги // ЖТФ. 1977, т.47, с.1491-1496. 10.N. Vogel. X-ray radiation from cathode spot fragments in laser-induced vacuum discharges // IEEE Transactions on Plasma Science. 1999, v.27, №4, p.864-871. 11.А.А. Андреев. Электронно-магнитная модель ка- тодного пятна // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Плазменная электроника и новые методы ускорения (3). 2003, №4, с.203-207. 12. И.Г. Кесаев. Катодные процессы вакуумной ду- ги. М.: «Наука», 1968. 13.B. Juttner, V.F. Pushkarev, E. Hantzshe, I. Beilis. Cathode Spots // Handbook of Vacum Arc Science and Technology. R.L. Boxman, P. Martin, D. Sanders (edi- tors), Noyes Publications, Park Ridge, NJ, 1995. 14.А.М. Зимин, В.А. Иванов, Б. Юттнер. Динамика ка- тодных пятен на поверхности бериллия в дуговом раз- ряде // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Тер- моядерный синтез. 2001, вып.2, с.44-50. 15.G. Martin. Halo Currents in a Circular Tokamak: Measurements on TORE-SUPRA. Proc. 26 EPS Conf. on Contr. Fusion and Plasma Physics. Maastricht, 1999, ECA, v.231, р.969-972. 16.N.V. Astrakhantsev. V.I. Krasov, V.L. Paperny. Ion acceleration in a pulse vacuum disharge //J. Phys. D: Appl. Phys. 1995, v.28, №12, p.2514-2518. 17.A. Batrakov, S. Popov, N. Vogel, et al. Plasma parame- ters of an arc cathode spot at the low-current vacuum dis- charge // IEEE Transactions on Plasma Science. 2005, v.31, №5, p.817-821. 18..И. Аксёнов, В.Г. Брень, И.И. Коновалов и др. Ис- следование плазмы стационарного вакуумного раз- ряда. II. Влияние температуры катода // Теплофизи- ка высоких температур. 1983, т.21, №4, с.646-651. IONS, ELECTRONS ACCELERATION AND X-RAY IN A CATHODE SPOT OF VACUUM ARC A.A. Andreev The causes of appearance of accelerated ions, electrons and X-rays in cathode spots were considered. These phe- nomena are connected with pulse nature of the currents in cathode spot sells. Оn the forward current pulse front, be- cause of induced electric field, plasma ions near cathode are accelerated to the anode side, and thus X-rays because of braking electrons , which were accelerated by same electric fiеld, are appeared. On the back pulse front the elec- trons are accelerated by the induced electric field to anode side. ПРИСКОРЕННЯ ІОНІВ, ЕЛЕКТРОНІВ І РЕНТГЕНІВСЬКЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ В КАТОДНІЙ ПЛЯМІ ВАКУУМНОЇ ДУГИ А.О. Андреєв Розглянуті механізми виникнення в катодних плямах вакуумної дуги прискорених іонів, електронів і рентгенівського випромінювання. Ці явища зв'язані з імпульсною природою струмів в чарунках катодної плями. На передньому фронті імпульсу струму за рахунок індукованого електричного поля прискорюються іони прикатодної плазми в бік анода, з'являється рентгенівське випромінювання через гальмування на катоді ___________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2006. № 5. Серия: Плазменная электроника и новые методы ускорения (5), с.69-71. 71 електронів, прискорених цим же полем в протилежному напрямку. На задньому фронті імпульсу в бік аноду індукованим полем прискорюються електрони. _______________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2006. № 5. Серия: Плазменная электроника и новые методы ускорения (5), с.70-72. 72
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-81087
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 1562-6016
language Russian
last_indexed 2025-12-07T17:45:07Z
publishDate 2006
publisher Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
record_format dspace
spelling Андреев, А.А.
2015-05-04T12:08:43Z
2015-05-04T12:08:43Z
2006
Ускорение ионов, электронов и рентгеновское излучение в катодном пятне вакуумной дуги / А.А. Андреев // Вопросы атомной науки и техники. — 2006. — № 5. — С. 69-72. — Бібліогр.: 18 назв. — рос.
1562-6016
PACS: 52.80.Mg
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81087
Рассмотрены механизмы появления в катодных пятнах вакуумной дуги ускоренных ионов, электронов и рентгеновского излучения. Эти явления связаны с импульсной природой токов в ячейках катодного пятна. На переднем фронте импульса тока за счёт индуцированного электрического поля ускоряются ионы прикатодной плазмы в сторону анода, появляется рентгеновское излучение из-за торможения на катоде электронов, ускоренных этим же полем в противоположном направлении. На заднем фронте импульса индуцированным полем ускоряются электроны в сторону анода.
Розглянуті механізми виникнення в катодних плямах вакуумної дуги прискорених іонів, електронів і&#xd; рентгенівського випромінювання. Ці явища зв'язані з імпульсною природою струмів в чарунках катодної&#xd; плями. На передньому фронті імпульсу струму за рахунок індукованого електричного поля прискорюються&#xd; іони прикатодної плазми в бік анода, з'являється рентгенівське випромінювання через гальмування на катоді електронів, прискорених цим же полем в протилежному напрямку. На задньому фронті імпульсу в бік аноду&#xd; індукованим полем прискорюються електрони.
The causes of appearance of accelerated ions, electrons and X-rays in cathode spots were considered. These phenomena&#xd; are connected with pulse nature of the currents in cathode spot sells. Оn the forward current pulse front, because&#xd; of induced electric field, plasma ions near cathode are accelerated to the anode side, and thus X-rays because&#xd; of braking electrons , which were accelerated by same electric fiеld, are appeared. On the back pulse front the electrons&#xd; are accelerated by the induced electric field to anode side.
ru
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
Вопросы атомной науки и техники
Газовый разряд, плазменно-пучковый разряд
Ускорение ионов, электронов и рентгеновское излучение в катодном пятне вакуумной дуги
Прискорення іонів, електронів і рентгенівське випромінювання в катодній плямі вакуумної дуги
Ions, electrons acceleration and X-ray in a cathode spot of vacuum arc
Article
published earlier
spellingShingle Ускорение ионов, электронов и рентгеновское излучение в катодном пятне вакуумной дуги
Андреев, А.А.
Газовый разряд, плазменно-пучковый разряд
title Ускорение ионов, электронов и рентгеновское излучение в катодном пятне вакуумной дуги
title_alt Прискорення іонів, електронів і рентгенівське випромінювання в катодній плямі вакуумної дуги
Ions, electrons acceleration and X-ray in a cathode spot of vacuum arc
title_full Ускорение ионов, электронов и рентгеновское излучение в катодном пятне вакуумной дуги
title_fullStr Ускорение ионов, электронов и рентгеновское излучение в катодном пятне вакуумной дуги
title_full_unstemmed Ускорение ионов, электронов и рентгеновское излучение в катодном пятне вакуумной дуги
title_short Ускорение ионов, электронов и рентгеновское излучение в катодном пятне вакуумной дуги
title_sort ускорение ионов, электронов и рентгеновское излучение в катодном пятне вакуумной дуги
topic Газовый разряд, плазменно-пучковый разряд
topic_facet Газовый разряд, плазменно-пучковый разряд
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81087
work_keys_str_mv AT andreevaa uskorenieionovélektronovirentgenovskoeizlučenievkatodnompâtnevakuumnoidugi
AT andreevaa priskorennâíonívelektronívírentgenívsʹkevipromínûvannâvkatodníiplâmívakuumnoídugi
AT andreevaa ionselectronsaccelerationandxrayinacathodespotofvacuumarc