Е. П. Глотов, А. Г. Дегтярев, В. Б. Розанов, Ю. П. Свириденко

ЭЛЕКТРОННАЯ   ПУШКА   С   ФОТОКАТОДОМ   ДЛЯ ЭЛЕКТРОИОНИЗАЦИОННЫХ   ЛАЗЕРОВ

Исследована возможность использования в электронных пушках фотокатода в сочетании с импульсными источниками света для получения сильноточного электронного пучка большого сечения с равномерным распределением плотности тока, с регулируемой длительностью и формой импульса и с регулируемой плотностью тока при постоянном напряжении пушки. Получен ток эмиссии с платностью ~ 20 А/см² при использовании магниевого фотокатода. Показана возможность применения подобной пушки для электроионизационных лазеров.

Для мощных электроионизационных квантовых генераторов с энергией 10³—10⁴ Дж, предназначенных для исследований в области управляемого термоядерного синтеза, необходимо создание сильноточных электронных пушек, обеспечивающих электронные пучки большого (10³—10⁴ см²) сечения с длительностью импульса 1—10 мкс, зависящей от давления рабочей смеси (порядка нескольких атмосфер) [1,2].
В качестве инжектора электронов в подобных пушках использовались плазменные (острийные) катоды [3] и нагревные танталовые катоды [4].
Основным достоинством плазменных катодов является простота их эксплуатации. Однако для получения электронных пучков большого сечения с длительностью импульса 3—10 мкс плазменные катоды малопригодны, поскольку они неуправляемы по току и длительности импульса электронов. Длительность электронного импульса равна времени пролета плазмы от катода к аноду и определяется межэлектродным расстоянием [5].
Плотность электронного тока определяется по формуле Ленгмюра J = 2,25*10^-6U^3|2/d² и может быть изменена в ходе эксперимента при заданном межэлектродном расстоянии d только соответствующим изменением рабочего напряжения U пушки. Кроме того, в работе [6] отмечается, что при создании острийных катодов с большими рабочими площадями встречаются трудности, связанные с разновременностью «срабатывания» острий.
В отличие от плазменного катода нагревный вольфрамовый катод позволяет, не изменяя рабочего напряжения электронной пушки, в широких пределах регулировать плотность тока пучка, варьируя ток накала, и, следовательно, температуру катода. Однако для питания нагревного вольфрамового катода большой площадью (например, 10⁴ см²) необходимо изготовление разделительного трансформатора напряжением несколько сот киловольт, мощностью несколько десятков киловатт.
В данной работе использован фотокатод в сочетании с импульсными источниками света для получения сильноточных электронных пучков большого сечения с регулируемой длительностью и формой импульса и с регулируемой плотностью тока при постоянном рабочем напряжении электронной пушки.
В качестве импульсного источника света использовалась лампа ИФП - 5000, которая включалась через управляемый воздушный разрядник, что позволяло работать при напряжениях, превышающих пробивное напряжение лампы (~ 5 кВ). Емкость батареи питания лампы составляла 0,5 мкФ.
Зависимости яркостной температуры в ультрафиолетовой области спектра, измеренной с помощью фотоэлемента Ф-7 (220 нм < λ < 330 нм) от энергии, запасаемой в батарее питания лампы при длительности импульса 3 мкс, для ламп ИФП - 5000 и ИФП – 4000 приведены на рис. 1.

Рис. 1. Зависимость яркостной температуры от энергии, запасаемой в батарее питания лампы ИФП - 5000 (1) и ИФП - 4000 (2).

Оценим величину плотности тока, которую можно получить в электронной пушке с магниевым фотокатодом. Магний выбран в связи с тем, что он обладает достаточно малой (3,64 эВ) работой выхода [7] и сравнительно удобен в работе. Использование в подобных пушках «эффективных» фотокатодов с большим квантовым выходом, чувствительных в видимой области (например, многощелочных), невозможно в связи с тем, что они требуют высокого вакуума (~ 10^-7 мм рт. ст.) и теряют необратимо эмиссию при попадании в атмосферу. При температуре 20 000 К полная энергия, излучаемая единицей поверхности абсолютно черного тела, В = σТ⁴ = 0,91*10⁶ Вт/см². На область спектра между границей пропускания кварца (λ = 340 нм, ε = 6,9 эВ) и красной границей магния (λ = 340 нм, ε = 3,64 эВ), приходится 0,4 всей излучаемой энергии [8]. Квантовый выход металлов возрастает при увеличении энергии квантов. Около красной границы рост фототока определяется зависимостью i ~ (v—v₀)². Для h(v—v₀) ≈ 1 эВ квантовый выходу составляет для большинства металлов ~10^-3 электрон/квант [9]. Оценим плотность фототока, который может быть получен с магниевого катода, расположенного на расстоянии 5 см от лампы, как было в нашем опыте. Количество квантов, излучаемых единицей поверхности лампы в данном спектральном интервале при температуре 20 000 К:

N = k σТ⁴l(hv_cр), 1/(см²*с),

где k — доля энергии, приходящаяся на спектральный интервал 180 нм < λ  < 330 нм; hv_cр — средняя энергия кванта. Подставляя числовые значения k = 0,4, hv_cр ≈ 5 эB, получаем N = 0,44*10²⁴ 1/(см²*с). Для оценок плотности тока примем средний квантовый выход γ, равным 10^-3 электрон/квант. Тогда j = eN γ r/R, где г — радиус лампы, R — расстояние от лампы до фотокатода. Для г = 0,5 см и R = 5 см j = 7 А/см².
Из проведенных оценок следует, что фотокатод может обеспечить достаточно большую плотность тока, которая легко регулируется, например, изменением напряжения на лампе. Длительность импульса может изменяться в широких пределах (от нескольких десятых микросекунды до 10^-3 с) в зависимости от параметров цепи лампы, в частности, от емкости батареи питания лампы.
Отметим, что квантовый выход существенно зависит от чистоты поверхности фотокатода. Красная граница фотоэффекта в зависимости от технологии изготовления катода и вакуума, также может меняться на несколько десятых электрон-вольта [9]. Поэтому данные оценки дают представление только о порядке величины фототока. Для более точного определения необходимо экспериментальное определение среднего квантового выхода фотокатода, долгое время находившегося в атмосфере, при различных давлениях остаточных газов в кювете электронной пушки.
Схема установки, на которой проводились измерения фототока, показана на рис. 2.

Рис. 2. Схема эксперимента по измерению эмиссионной способности фотокатода:
1 — стенки камеры
2 — импульсная лампа
3 — обратный токопровод
4 — магниевый фотокатод
5 — анод
6 — изоляционный экран
7 — кварцевое окно
С = 0,5 мкФ, R =75 Ом.

Для того чтобы исключить возможное влияние фотоэффекта с обратных проводов лампы, между лампой и вакуумным диодом устанавливалось кварцевое окно. Напряжение на вакуумном диоде изменялось в ходе эксперимента от 1 до 50 кВ. При расстоянии между электродами 5 см и напряжении 50 кВ максимальная плотность тока, который может пройти через диод, определяемая по формуле Ленгмюра, равна 1 А/см². Для того чтобы измерять плотности тока эмиссии, большие 1 А/см², рабочая поверхность катода уменьшалась до 1 см². Остальная поверхность катода закрывалась диэлектриком. На рис. 3 приведены характерные осциллограммы опытов (временные зависимости плотности тока и светового потока).

Рис. 3. Характерные осциллограммы опытов.

Зависимости фототока от времени хорошо повторяют зависимости светового потока от времени, полученные фотоэлементом Ф-7, и отличаются лишь тем, что после окончания светового импульса наблюдается некоторый остаточный ток, величина которого уменьшается в несколько раз при улучшении вакуума в рабочем объеме от 10^-4 до 10^-5 мм рт. ст. Остаточный ток, по-видимому, определяется наличием ионов и связан с ионизацией остаточных газов электронами и с двухступенчатой ионизацией за счет ультрафиолетового излучения лампы.
При напряжении на лампе, равном 40 кВ, плотность тока фотоэмиссии составляла 21 А/см². Данное значение плотности тока не является предельным и может быть увеличено улучшением геометрии электронной пушки, использованием фокусирующих отражателей и увеличением напряжения на лампе.
На рис. 4 приведена зависимость фототока от энергии, запасаемой в батарее питания лампы.

Рис. 4. Зависимость фототока от энергии батареи питания лампы.

Для определения зависимости среднего квантового выхода от яркостной температуры светового источника для каждого значения температуры лампы, измеренной с помощью фотоэлемента Ф-7 и с использованием таблиц [8], определялось число квантов, падающих на единицу поверхности катода в спектральном интервале 180 нм < λ < 330 нм. Затем по измеренным значениям плотности тока эмиссии определялся средний квантовый выход. При яркостной температуре лампы 15 000 К средний квантовый выход составлял 0,6 * 10^-3 электрон/квант, при температуре 30 000 К — 0,9*10^-3 электрон/квант. Зависимость среднего квантового выхода от температуры лампы приведена на рис. 5.

Рис. 5. Зависимость среднего квантового выхода для магния от температуры лампы.

Рост среднего квантового выхода объясняется смещением спектрального распределения излучения лампы в сторону квантов с большей энергией.
При проведении серий опытов, повторяющихся через одну - две минуты, было обнаружено, что за первые три - четыре «выстрела» плотность тока возрастает в три - четыре раза при постоянном значении энергии, вкладываемой в лампу, а затем остается постоянной.
Оценки показывают, что при температуре лампы, равной 20 000 К температура поверхности катода в момент выстрела составляет около 600 К. Таким образом, поверхность фотокатода может эффективно очищаться от загрязнений и адсорбированных газов и паров, что обеспечивает равномерную эмиссию электронов при условии равномерной освещенности катода.
На рис. 6 приведена схема электронной пушки с фотокатодом, с помощью которой был получен пучок сечением 40 x 7 см, с длиной пробега электронов в воздухе около 20 см, что соответствует энергии электронов 130 кэВ.

Рис. 6. Схема экспериментальной установки:
1 — управляемый разрядник
2 — генератор Маркса
3 — камера ускорителя
4 — импульсная лампа
5 — анод (протектор с фольгой)
6 — катод
7 — сетка измерителя энерговклада.

Напряжение на генераторе Маркса равнялось 160 кВ. Синхронизация лампы и генератора Маркса осуществлялась с помощью воздушного разрядника, который, как показано на рис. 6, являлся одновременно разрядником лампы и первым разрядником ГИНа. Прозрачность протектора с фольгой составляла ~ 48 %. Две импульсные лампы располагались в непосредственной близости от анода и внутренних стенок пушки. Боковые стенки камеры отстояли на 3 см от катода. Расчеты показали, что неоднородность освещенности фотокатода при данной геометрии не превышает 10 %.
С помощью сеток диаметром 2 см, расположенных на расстоянии 1 см друг от друга измерялась энергия, вкладываемая в разряд, инициируемый электронным пучком в воздухе при E/р = 5 кВ/(см*атм). Кривая зависимости энерговклада от энергии запасаемой в батарее лампы при длительности светового импульса 7 мкс, показана на рис. 7.

Рис. 7. Зависимость энерговклада от энергии батареи питания лампы.

При энергиях, вкладываемых в лампы, больших 50 Дж, энерговклад почти перестает зависеть от светового потока. Это объясняется тем, что при плотностях тока эмиссии, соответствующих запасаемой в лампе энергии 50 Дж и выше, плотность тока пушки определяется законом Ленгмюра. Небольшое падение энерговклада при энергиях в батарее свыше 50 Дж может быть связано с уменьшением эффективного напряжения на диоде.
При использовании в этой же пушке острийного катода максимальный энерговклад был достигнут при расстоянии между анодом и катодом, равном 1,4 см, и составлял 14 Дж/л, что в три раза меньше энерговклада, полученного с помощью фотокатода. Для исследования равномерности электронного пучка энерговклад измерялся в разных местах сечения пучка. Неоднородность энерговклада не превышает 5—7 % (главным образом на краях) и объясняется расходимостью электронного пучка.
Таким образом, приведенные экспериментальные и теоретические результаты показывают, что фотокатод в сочетании с импульсными источниками света может быть успешно использован в электронных пушках для получения сильноточных электронных пучков большого сечения с равномерным распределением плотности тока. Можно ожидать, что длительность импульса электронов, определяемая длительностью свечения лампы, которая задается параметрами цепи, доступна изменению в широких пределах (от нескольких десятых до сотен микросекунд). Используя формирующую линию питания импульсных ламп, можно получить близкую к прямоугольной форму импульса электронного пучка. Плотность тока также может свободно регулироваться в ходе эксперимента путем изменения напряжения питания ламп без изменения энергии электронов в пучке и достигать нескольких десятков А/см². Использование отражателей дает возможность обеспечить достаточно равномерную освещенность фотокатода и, следовательно, необходимую однородность электронного пучка. При энергии электронов в пучке порядка нескольких сотен килоэлектронвольт энергия питания импульсных лампы составляет менее 10 % от энергии пучка, что уменьшает КПД электронной пушки всего на несколько процентов и практически не сказывается на общем КПД лазера.

1  Н.Г.Басов, Э.М. Беленов, В.А. Данилычев, А.Ф. Сучков, «Квантовая электроника», под ред. Н. Г. Басова, № 3, 121 (1971).

2  A. Fenstefmacher, L.Nutter, J.Pink, К.Boyer. Bull. Amer Phys. Soc., 1, 42 (1971).

3  H.G. Ahlstromet al. 3-rd Conference en Chemical and Molecular Laser. St. Louis, May 1972.

4  H.Г.Басов, В.А. Данилычев, А.А.Ионин, И.Б.Ковш, В.А.Соболев. «Квантовая электроника», 1, 2526 (1974).

5  Г.А. Месяц. Генерирование мощных наносекундных импульсов. М., «Сов. радио», 1974.

6  G. Loda, Т.de Hart. Investigation of Pulsed Cold Cathode Electron Guns for Use as Laser Discharge Sustainer. Phys. Intern, Report PLFR-326.

7  В.С. Фоменко. Эмиссионные свойства элементов и химических соединений. Ки­ев, «Наукова думка», 1964.

8  П.А. Апанасевич, В.С. Айзейнштадт. Таблицы распределения энергии и фотонов в спектре равновесного излучения. Минск, АН БССР, 1961.

9  Л.Н. Добрецов, М.В. Гомоюнова. Эмиссионная  электроника. М., «Наука», 1966.