How short is the runaway electron flow in an air electrode gap?

Abstract

We present and analyze characteristics of the runaway electron flow in a high-voltage (the voltage rise rate of up to 1.5 MV/ns) air-filled electrode gap with a strongly nonuniform electric field. It is demonstrated that such a flow contains a high-energy electron component of duration not more than 10 ps. According to numerical simulations, runaway electron generation/termination is governed by impact ionization of the gas near the cathode and switching on/off a critical (sufficient for electrons to run away) electric field at the boundary of the expanding cathode plasma. The corresponding characteristic time estimated to be 2–3 ps is defined by the ionization rate at a critical field.

Emission Features and Structure of an Electron Beam versus Gas Pressure and Magnetic Field in a Cold-Cathode Coaxial Diode

“…Both modes under investigation, namely EEE in vacuum and RAE emission in gas, have a common preliminary stage, i.e., field emission at microinhomogeneities of the cathode [43,[66][67][68]. At atmospheric pressure, elementary RAE flow is extremely short (up to 10 ps, [69,70]). Thus, an open shutter photograph of the RAE beam reprinted on a luminescent screen accumulates emission events from the cathode occurring within an interval of about ten picoseconds.…”

Формирование Двух Импульсов Тока Пучка Убегающих Электронов

“…Генерация убегающих электронов с высокой энергией при импульсных разрядах в газах повышенного давления является важным физическим явлением, которое продолжает изучаться в настоящее время. Возможность получения убегающих электронов или(и) тормозного рентгеновского излучения в газах повышенного давления следует из теоретических работ, а их наличие зарегистрировано в лабораторных и атмосферных разрядах, см., например, [1][2][3][4][5][6][7][8][9][10][11][12][13][14]. В воздухе атмосферного давления пучки убегающих электронов за тонкой анодной фольгой фиксировались шунтом или коллектором в четырех научных группах [7,9,10,14].…”

“…Возможность получения убегающих электронов или(и) тормозного рентгеновского излучения в газах повышенного давления следует из теоретических работ, а их наличие зарегистрировано в лабораторных и атмосферных разрядах, см., например, [1][2][3][4][5][6][7][8][9][10][11][12][13][14]. В воздухе атмосферного давления пучки убегающих электронов за тонкой анодной фольгой фиксировались шунтом или коллектором в четырех научных группах [7,9,10,14]. Теоретические модели, см., например, [15][16][17][18][19][20][21], объясняют ряд важных тенденций при генерации пучков электронов.…”

“…Теоретические модели, см., например, [15][16][17][18][19][20][21], объясняют ряд важных тенденций при генерации пучков электронов. Однако полученные параметры и реализованные режимы генерации пучков убегающих электронов в различных экспериментальных работах [7,9,10,14] существенно отличаются. Предлагаются различные механизмы генерации убегающих электронов.…”

“…Предлагаются различные механизмы генерации убегающих электронов. Например, за счет " пространственного заряда ионов" [22], " эффекта поляризационного самоускорения электронов" [23], нагрева газа в микроканалах, который " обеспечивает рост отношения напряженности электрического поля к концентрации газа в микроканалах до значений, достаточных для генерации в них пучков высокоэнергетичных электронов и тормозного рентгеновского излучения" [24], и другие [7][8][9][10][11][12][13][14][15][16][17][18][19][20][21].…”