FEATURES OF ELECTRON RUNAWAY IN A GAS GAP WITH A CONICAL CATHODE

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The conditions and dynamics of electron runaway in a gas gap with an inhomogeneous distribution of the electric field due to the use of a conical cathode are analyzed. Significant differences in the behavior of electrons at cone opening angles larger and smaller than the threshold value of 98.6 degrees are revealed. For a weakly inhomogeneous field distribution (cones with angles exceeding the threshold), electrons are continuously accelerated throughout the gap. In a strongly inhomogeneous field (cones with relatively small opening angles), electrons can gain maximum energy inside the gap, and begin to decelerate in the near-anode region. Despite this, they reach the anode with high energies comparable to the work of the electric field. This difference leads to the need to use different criteria for the runaway of free electrons in the gas gap.

About the authors

N. M. Zubarev

Institute of Electrophysics of Ural Branch of Russian Academy of Sciences; Lebedev Physical Institute of Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: nick@iep.uran.ru
Russia, Yekaterinburg; Russia, Moscow

O. V. Zubareva

Institute of Electrophysics of Ural Branch of Russian Academy of Sciences

Email: nick@iep.uran.ru
Russia, Yekaterinburg

M. I. Yalandin

Institute of Electrophysics of Ural Branch of Russian Academy of Sciences; Lebedev Physical Institute of Russian Academy of Sciences

Email: nick@iep.uran.ru
Russia, Yekaterinburg; Russia, Moscow

References

  1. Dreicer H. Electron and ion runaway in a fully ionized gas // Phys. Rev. 1959. V. 115. № 2. P. 238–249. https://doi.org/10.1103/PhysRev.115.238
  2. Гуревич А.В. К теории эффекта убегающих электронов // ЖЭТФ. 1960. Т. 39. № 5. С. 1296–1307.
  3. Станкевич Ю.Л., Калинин В.Г. Быстрые электроны и рентгеновское излучение в начальной стадии развития импульсного искрового разряда в воздухе // ДАН СССР. 1967. Т. 177. № 1. С. 72–73.
  4. Месяц Г.А., Бычков Ю.И., Кремнев В.В. Импульсный наносекундный электрический разряд в газе // УФН. 1972. Т. 107. № 6. С. 201–228. https://doi.org/10.3367/UFNr.0107.197206b.0201
  5. Бабич Л.П., Лойко Т.В., Цукерман В.А. Высоковольтный наносекундный разряд в плотных газах при больших перенапряжениях, развивающийся в режиме убегания электронов // УФН. 1990. Т. 160. № 7. С. 49–82. https://doi.org/10.3367/UFNr.0160.199007b.0049
  6. Месяц Г.А., Яландин М.И., Реутова А.Г., Шарыпов К.А., Шпак В.Г., Шунайлов С.А. Пикосекундные пучки убегающих электронов в воздухе // Физика плазмы. 2012. Т. 38. № 1. С. 34–51.
  7. Naidis G.V., Tarasenko V.F., Babaeva N.Yu., Lomaev M.I. Subnanosecond breakdown in high-pressure gases // Plasma Sources Sci. Technol. 2018. V. 27. № 1. P. 013001. https://doi.org/10.1088/1361-6595/aaa072
  8. Mesyats G.A., Yalandin M.I., Zubarev N.M., Sadykova A.G., Sharypov K.A., Shpak V.G., Shunailov S.A., Ulmasku-lov M.R., Zubareva O.V., Kozyrev A.V., Semeniuk N.S. How short is the runaway electron flow in an air electrode gap? // Appl. Phys. Lett. 2020. V. 116. № 6. P. 063501. https://doi.org/10.1063/1.5143486
  9. Бабич Л.П., Лойко Т.В., Родигин А.В. Излучение Вавилова−Черенкова субнаносекундного импульса убегающих электронов, генерируемого разрядом в открытой атмосфере // ДАН. 2014. Т. 457. № 6. С. 646–649.
  10. Тарасенко В.Ф., Бакшт Е.Х., Бураченко А.Г., Белоплотов Д.В., Козырев А.В. Свечение полиметилметакрилата под воздействием пучков убегающих электронов, формируемых в газовом диоде // ДАН. 2016. Т. 471. № 2. С. 150–153.
  11. Яландин М.И., Соломонов В.И., Спирина А.В., Шунайлов С.А., Шарыпов К.А., Макарова А.С., Лип-чак А.И. Специфика импульсной катодолюминесценции при возбуждении электронным пучком наносекундной и субнаносекундной длительности // Доклады РАН. Физика, технические науки. 2023. Т. 508. С. 19–26. https://doi.org/10.31857/S2686740023010121
  12. Лисенков В.В., Иванов С.Н., Мамонтов Ю.И., Тихонов И.Н. Численное исследование убегания электронов в усиленном поле около микроострия // ЖТФ. 2018. Т. 88. № 12. С. 1912–1915. https://doi.org/10.21883/JTF.2018.12.46798.68-18
  13. Bakhov K.I., Babich L.P., Kutsyk I.M. Temporal characteristics of runaway electrons in electron-neutral collision-dominated plasma of dense gases. Monte Carlo calculations // IEEE Trans. Plasma Sci. 2000. V. 28. № 4. P. 1254–1262. https://doi.org/10.1109/27.893314
  14. Peterson L.R., Green A.E.S. The relation between ionization yields, cross sections and loss functions // J. Phys. B: At. Mol. Phys. 1968. V. 1. № 6. P. 1131–1140. https://doi.org/10.1088/0022-3700/1/6/317
  15. Mesyats G.A., Osipenko E.A., Sharypov K.A., Shpak V.G., Shunailov S.A., Yalandin M.I., Zubarev N.M. An ultra-short dense paraxial bunch of sub-relativistic runaway electrons // IEEE Electron Device Lett. 2022. V. 43. № 4. P. 627–630. https://doi.org/10.1109/LED.2022.3155173
  16. Yalandin M.I., Sadykova A.G., Sharypov K.A., Shpak V.G., Shunailov S.A., Zubareva O.V., Zubarev N.M. Features of the secondary runaway electron flow formed in an elongated, atmospheric pressure air gap // Phys. Plasmas. 2020. V. 27. P. 103505. https://doi.org/10.1063/5.0024785
  17. Тарасенко В.Ф., Белоплотов Д.В., Сорокин Д.А. Длительность пучка убегающих электронов при субнаносекундном фронте импульса напряжения // ЖТФ. 2022. Т. 92. № 5. С. 694–703. https://doi.org/10.21883/JTF.2022.05.52373.317-21
  18. Zubarev N.M., Yalandin M.I., Mesyats G.A., Baren-golts S.A., Sadykova A.G., Sharypov K.A., Shpak V.G., Shunailov S.A., Zubareva O.V. Experimental and theoretical investigations of the conditions for the generation of runaway electrons in a gas diode with a strongly nonuniform electric field // J. Phys. D: Appl. Phys. 2018. V. 51. P. 284003. https://doi.org/10.1088/1361-6463/aac90a
  19. Тарасенко В.Ф., Бакшт Е.Х., Белоплотов Д.В., Бураченко А.Г., Костыря И.Д., Ломаев М.И., Рыбка Д.В., Сорокин Д.А. О параметрах пучков убегающих электронов и об электронах с “аномальной” энергией при субнаносекундном пробое газов атмосферного давления // Письма в ЖЭТФ. 2015. Т. 102. № 6. С. 388–392. https://doi.org/10.7868/S0370274X1518006X
  20. Bethe H. Zur theorie des durchgangs schneller korpuskularstrahlen durch materie // Ann. Phys. 1930. V. 397. № 3. P. 325–400. https://doi.org/10.1002/andp.19303970303
  21. Taylor G.I. Disintegration of water drops in an electric field // Proc. R. Soc. London, Ser. A. 1964. V. 280. № 1382. P. 383–397. https://doi.org/10.1098/rspa.1964.0151
  22. Зубарев Н.М. Формирование конических острий на поверхности жидкого металла в электрическом поле // Письма в ЖЭТФ. 2001. Т. 73. № 10. С. 613–617.
  23. Yatom S., Shlapakovski A., Beilin L., Stambulchik E., Tskhai S., Krasik Y.E. Recent studies on nanosecond-timescale pressurized gas discharges // Plasma Sources Sci. Technol. 2016. V. 25. № 6. P. 064001. https://doi.org/10.1088/0963-0252/25/6/064001
  24. Zubarev N.M., Kozhevnikov V.Yu., Kozyrev A.V., Mesyats G.A., Semeniuk N.S., Sharypov K.A., Shunai-lov S.A., Yalandin M.I. Mechanism and dynamics of picosecond radial breakdown of a gas-filled coaxial line // Plasma Sources Sci. Technol. 2020. V. 29. № 12. P. 125008. https://doi.org/10.1088/1361-6595/abc414
  25. Ivanov S.N., Lisenkov V.V., Mamontov Yu.I. Streak investigations of the dynamics of subnanosecond discharge developing in nitrogen at a pressure of 6 atm with the participation of runaway electrons // Plasma Sources Sci. Technol. V. 30. № 7. P. 075021. https://doi.org/10.1088/1361-6595/abf31f

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2.

Download (48KB)
Indexing metadata
3.

Download (67KB)
Indexing metadata
4.

Download (62KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2023 Н.М. Зубарев, О.В. Зубарева, М.И. Яландин

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».