Лекция 5. Калибровка ускорителя ТЕМП - 4М

1. Лекция 5. Калибровка ускорителя ТЕМП-4М • Калибровка диагностического оборудования на согласованную нагрузку • Измерение эффективности передачи энергии из ДФЛ в нагрузку • Баланс энергии в диодном узле при генерации МИП • Исследование стабильности работы ускорителя

2. Alexander I. Pushkarev, Yulia I. Isakova A gigawatt power pulsed ion beam generator for industrial application // Surface and Coatings Technology (2012) DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.surfcoat.2012.05.094 • Параметры ускорителя ТЕМП-4М: • ускоряющее напряжение 250 – 300 кВ; • длительность ускоряющего импульса 150 нс; • плотность ионного тока на мишени 50 – 250 А/см2; • частота импульсов 5 - 10 имп./мин. • Beam composition: ions of carbon (C+, C2+, C3+) and protons, 2

3. 3

4. индуктивность 1. Режимы зарядки ДФЛ. Одноимпульсный режим. U I 4

5. 5

6. Режимы зарядки ДФЛ.Двухимпульсный режим работы ДФЛ Схема зарядки ДФЛ в двухимпульсном режиме. 6

7. 1. Калибровка диагностического оборудования на согласованную нагрузку Функциональная схема ускорителя: 1 – генератор импульсного напряжения; 2 – двойная формирующая линия, 3 - диодная камера, 4 – нагрузка.

8. Калибровка делителя напряжения и пояса Роговского ГИН. Одноимпульсный режим. Осциллограммы напряжения и тока на выходе ГИНаи расчетные значения напряжения. Зарядное напряжение ДФЛ рассчитывали по формуле:

9. Двухимпульсный режим работы ДФЛ Осциллограммы напряжения и тока на выходе ГИНаи расчетные значения напряжения. Зарядное напряжение ДФЛ рассчитывали по формуле:

10. Конструкция ДФЛ ускорителя ТЕМП-4М. Для конденсатора цилиндрической конструкции емкость равна: где l- длина электродов, R1 и R2 – радиусы внутреннего и внешнего электродов ДФЛ

11. Калибровка делителя напряжения и пояса Роговского ДФЛна согласованную нагрузку

12. Активная нагрузка R=5.2 Ом, L=240 нГн Калибровка поясов Роговского на согласованную нагрузку Осциллограммы сигналов с поясов Роговского на выходе ДФЛ и с шунта.

13. Калибровка делителя напряжения. Одноимпульсный режим Экспериментальные значения напряжения и тока на выходе ДФЛ и расчетные значения напряжения Напряжение, прикладываемое к диоду рассчитывали по формуле:

14. Калибровка делителя напряжения. Двухимпульсный режим Экспериментальные значения напряжения и тока на выходе ДФЛ и расчетные значения напряжения Напряжение, прикладываемое к диоду рассчитывали по формуле:

15. Oscilloscope traces of voltageand current R = 5.2 Ohm, L1+L2 = 240 nH Ucalc=R·I+(L1+L2)∙dI/dt Калантаров П.Л., Цейдлин Л.А. Расчет индуктивностей. Справочная книга. Ленинград, Энергоатомиздат, 1986, 488 стр. 15 15 15

16. Для прямолинейного проводника на высокой частоте индуктивность можно рассчитать по соотношению [1]: где μ0 – магнитная постоянная (1.26·10-6 Гн/м); l – длина проводника, м; d – диаметр проводника, м. Для нагрузки ДФЛ, выполненной из трубы с длиной 70 см и диаметром 7 см, индуктивность равна: Индуктивность в расчетах принимали равной 240 нГн. Она включает индуктивность потенциального электрода и индуктивность нагрузки. 1. Калантаров П.Л., Цейтлин Л.А. Расчет индуктивностей: Справочная книга.- Л., Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1986.-488 с.

17. Баланс энергии ДФЛ при работе на согласованную нагрузку Энергию, передаваемую из ГИН в ДФЛ, рассчитывали по формуле: Энергия, поступающая на первом импульсе из ГИН в ДФЛ, расходуется не только на зарядку средней и внутренней линии, но и на резистивные потери в нагрузке. Тогда полная энергия в ДФЛ к началу генерации основного импульса напряжения равна разности энергии, передаваемой из ГИН в ДФЛ, и резистивных потерь. Эти потери можно рассчитать как интеграл произведения тока в диодном узле на напряжение (на выходе ДФЛ) в течение первого импульса. Qдфл = Qгин - Q-

18. Баланс энергии ДФЛ при работе на согласованную нагрузку Зависимость энергии, переданной из ДФЛ в нагрузку в течение основного импульса и послеимпульсов (1) и в течение основного импульса (2), от энергии в ДФЛ. Зависимость 3 – данные для режима с зарядной индуктивностью (одноимпульсный и двухимпульсный режим).

24. Ratio of Esingle-pulse/Eout in case of 50 Ohm load

25. Баланс энергии в ДФЛ при генерации МИП Зависимость энергии, переданной из ДФЛ в диодный узел в течение основного импульса и послеимпульсов (1) и в течение основного импульса (2), от энергии в ДФЛ.

27. Зависимость потерь энергии в ДФЛ от энергии, передаваемой из ГИН в ДФЛ, при работе ускорителя на резистивную нагрузку (1) и диод (2).

28. Баланс энергии в диодном узле при генерации МИП Зависимость энергии МИП от энергии, подводимой к диоду в течение генерации ионного пучка (точки). Кривая 1 – эффективность генерации 5.4%, кривая 3 – предельная эффективность генерации ионов С+ в режиме ограничения объемным зарядом (0.7%).

29. СТАБИЛИЗАЦИЯ ГЕНЕРАЦИИ ИМПУЛЬСНОГО ИОННОГО ПУЧКА В ДИОДЕ С МАГНИТНОЙ САМОИЗОЛЯЦИЕЙ 1. Литературный обзор 2. Экспериментальный стенд 3. Исследование стабильности работы ускорителя на согласованную нагрузку. 4. Исследование стабильности генерации МИП в плоском диоде 5. Исследование корреляции плотности тока МИП 6. Исследование стабильности генерации МИП в фокусирующем диоде 7. Анализ источников нестабильности генерации МИП Заключение A.I. Pushkarev, Yu.I. Isakova, I.P. Khailov Shot-to-shot reproducibility of a self-magnetically insulated ion diode // Review of Scientific Instruments, Volume 83, Issue 7, Article ID 073309 (2012)

30. Введение • Наиболее важными параметрами генератора МИП, определяющие возможность его технологического применения, являются : • ресурс непрерывной работы • стабильность параметров в серии импульсов.

31. 1. Литературный обзор Davis H.A., Bartsch R.R., Olson J.C., Rej D.J., and Waganaar W.J. J. Appl. Phys. 1997 Vol. 2 № 7. P. 3223. Зависимость плотности энергии, рассчитанной по ЦФ, от плотности энергии, измеренной тепловизором. Стандартная девиация плотности энергии МИП 30-40%.

32. X. P. Zhu, M. K. Lei, Z. H. Dong, and T. C. Ma. Rev. Sci. Instrum., Vol. 74, No. 1, (2003). pp.47-52 Диодный узел ускорителя ТЕМП-6, изменения плотности ионного тока и напряжения в серии импульсов Стандартная девиация 15-20% в серии 200 импульсов.

33. Стабильность генерации МИП на ускорителе ETIGO-II (напряжение 1.1 МВ, ток диода 80 кА, плотность энергии 60-90 J/cm2). Нестабильность плотности энергии МИП составляла в среднем 24% при ресурсе диодной системы менее 10 импульсов.

34. H. Ito, H. Miyake, and K. Masugata. Rev. Sci. Instrum. 79, 103502. 2008 ускоряющее напряжение 190 кВ, ток диода 15 кА, длительность импульса 100 нс, плотность ионного тока 54 А/см2 разброс значений плотности ионного тока от импульса к импульсу не превышал 20%.

35. Hiroaki Ito, Kodai Fujikawa, Hidenori Miyake, and Katsumi Masugata. IEEE TRANSACTIONS ON PLASMA SCIENCE, VOL. 37, NO. 10, OCTOBER 2009 a b Зависимость плотности ионного тока от количества импульсов: а) ЦФ располагался 50 мм от анода (МИП); б) ЦФ располагался на выходе источника плазмы Разброс значений плотности ионного тока в серии импульсов превышал 60-80%. Нестабильность генерации ионного пучка авторы связывают с нестабильностью работы плазменного источника.

36. Fig. 1. Schematic of the experimental setup. Amitava Royet al. PHYSICS OF PLASMAS 16, 033113 2009 Изменения первеанса от импульса к импульсу при t=50 нс и 90 нс Нестабильность генерации электронного пучка в серии импульсов 24-60% авторы объясняют разбросом значений эффективной эмиссионной площади катода и эффективного А-К зазора при радиальном и осевом расширении взрывоэмиссионной плазмы.

37. Выводы по литературному обзору • Стабильность генерации МИП в серии импульсов и ресурс диода определяются процессами плазмообразования на поверхности анода • Отсутствуют данные о стабильности генерации МИП в диодах с взрывоэмиссионным потенциальным электродом и с магнитной самоизоляцией электронов. • Взрывная эмиссия обеспечивает эффективное плазмообразование на всей рабочей поверхности потенциального электрода. Концентрация плазмы превышает 1014 см-3, что достаточно для генерации МИП с плотностью тока более 100 А/см2. • В диоде с магнитной самоизоляцией отсутствует внешний источник магнитного поля, который может вносить вклад в нестабильность генерации МИП. Цель представленной работы – исследование стабильности генерации МИП в диоде с взрывоэмиссионным потенциальным электродом в режиме магнитной самоизоляции электронов.

38. 2. Экспериментальный стенд TEMP-4M Параметры ускорителя ТЕМП-4M: ускоряющее напряжение 250 – 300 кВ; длительность импульса 150 нс; плотность ионного тока на мишени 25 – 150 А/см2; частота импульсов 6 имп./мин. Beam composition: ions of carbon (C+) and protons 38 38

39. Активная нагрузка R=4.7 Ом, L=240 нГн 3. Исследование стабильности работы ускорителя ТЕМП-4М на согласованную нагрузку. Анализ выполнен по сериям измерений по 50 импульсов в каждой серии. Интервал между импульсами 10 секунд, интервал между сериями 5-10 минут.

40. Результаты статистической обработки Изменение амплитуды импульса напряжения на выходе ДФЛ

41. Схема измерения параметров МИП • Ускоряющее напряжение • Полный ток в диоде • Длительность первого импульса • Плотность ионного тока 4. Исследование стабильности генерации МИП в плоском диоде 41

42. Осциллограммы ускоряющего напряжения (1), полного тока в диоде (2) и плотности ионного тока с двухсекционного КЦФ (3). Расстояние до диода 10 см. • Амплитуда импульса плотности тока МИП зависит от: • Состава МИП • Энергетического спектра МИП • Расстояния от диода до КЦФ Корреляционная зависимость между плотностью заряда МИП за импульс и амплитудой импульса плотности ионного тока. Выборка 50 импульсов

43. Результаты статистической обработки Таблица 2. Стабильность работы ускорителя ТЕМП-4М при генерации МИП

44. В серии экспериментов с плоским полосковым диодом после пропитки его рабочей поверхности вакуумным маслом удалось уменьшить нестабильность плотности тока МИП. На Рис. 4 и в таблице 3 приведены результаты обработки результатов измерений. Таблица 3. Стабильность работы ускорителя ТЕМП-4М при генерации МИП

45. 5. Исследование корреляции плотности тока МИП • Для определения наиболее важных факторов, влияющих на нестабильность генерации МИП в диоде с магнитной самоизоляцией, был выполнен анализ корреляции амплитуды импульса плотности ионного тока: • с амплитудой импульса ускоряющего напряжения, • с амплитудой полного тока в диоде, • с длительностью первого импульса • с амплитудой импульса плотности ионного тока в другой точке диода

46. Корреляционная зависимость между амплитудой импульса плотности ионного тока и амплитудой импульса ускоряющего напряжения. Выборка 110 импульсов. Кривая 1 – расчет по соотношению CL для ионов С+ при коэффициенте усиления 10. d0 начальный АК зазор, ε0 – абсолютная диэлектрическая проницаемость, v скорость расширения плазмы, mi – масса иона, z – заряд иона, t0 – длительность первого импульса, К – коэффициент усиления.

47. Результаты статистической обработки Таблица 4. Корреляцияплотности ионного тока с параметрами генератора наносекундных импульсов. Выполненные исследования показали слабую корреляцию амплитуды импульса плотности тока МИП с выходными параметрами генератора наносекундных импульсов. Это указывает на то, что основной вклад в нестабильность генерации МИП вносят процессы в самом диоде.

48. Корреляционная зависимость между амплитудами плотности ионного тока с двух КЦФ при расстоянии между ними 5 см (а) и 1 см (b). Корреляция плотности ионного тока, формируемого одновременно в разных частях ионного диода.

49. 6. Исследование стабильности генерации МИП в фокусирующем диоде Схема измерения и осциллограммы ускоряющего напряжения (1), полного тока в плоском диоде (2) и плотности ионного тока с двухсекционного КЦФ (3). Расстояние до КЦФ 15 см.

50. Результаты статистической обработки Изменение амплитуды импульса плотности ионного тока и гистограмма значений 5×50 импульсов. Корреляцияплотности ионного тока с параметрами генератора наносекундных импульсов