ИССЛЕДОВАНИЕ ИОННОГО ДИОДА СО ВЗРЫВОЭМИССИОННЫМ КАТОДОМ. Часть 3.

1. ИССЛЕДОВАНИЕ ИОННОГО ДИОДА СО ВЗРЫВОЭМИССИОННЫМ КАТОДОМ. Часть 3. • INTRODUCTION • EXPERIMENTAL INSTALLATION • BASIC CALCULATION EQUATIONS • MODE OF MAGNETIC SELF-ISOLATION • CONCLUSION

2. mode of magnetic self-isolation Rexp>Rcalc discrete emissive surface mode Rexp>Rcalc mode of volumetric charge limitation Rexp=Rcalc 1. Denotation of the operating modes of theTEMP-4M 2

3. potential electrode (anode) U=200-300 kV + grounded electrode (cathode) Ion beam Режим магнитной самоизоляции 3

4. 2. Исследование механизма подавления электронного тока в ионном диоде с магнитной самоизоляцией • Введение • Анализ изменения условий магнитной изоляции по длине диода • Расчет скорости дрейфа электронов. • Новый механизм подавления электронного тока. • Исследование кольцевого диода с магнитной самоизоляцией • Заключение

5. Схема движения электронов и ионов в диоде с магнитной самоизоляцией

6. Расчет времени ускорения ионов Эффективность подавления электронной компоненты в диодах с магнитной изоляцией определяется соотношением времени нахождения электронов и ионов в анод-катодном зазоре. При условии равноускоренного движения ионов в анод-катодном зазоре продолжительность их ускорения (с учетом сокращения А-К зазора) равна: vmax – скорость иона после прохождения а-к зазора, а – ускорение в электрическом поле. 6

7. Calculation of the electrons drift time Скорость дрейфа электронов в скрещенном электрическом и магнитном поле: где Е — напряжённость электрического поля, В/м, В – магнитная индукция, Тл. B(t) = ?

8. Магнитное поле в А-К зазоре формируется собственным током диода и в отличие от диода с внешней магнитной изоляцией не постоянно по длине диода. Поэтому скорость электронов меняется по длине диода и расчет времени их дрейфа сложен. Проще рассчитать минимальную величину индукции магнитного поля Вmin, необходимую для реализации эффекта подавления электронного тока собственным магнитным полем. Cреднее время дрейфа электронов: Продолжительность ускорения ионов: При В= Вminτe = τionТогда

9. Vandevender J.P., Quintenz J.P., Leeper R.J., Johnson D.J., Crow J.T. Self-magnetically insulated ion diode // J. Appl. Phys. – 1981. – №52/1. – Р. 4–12. Bкр = 0.27-1.6 Тл Вmin = 4 Tл (τe = τion) Схема диодного узла: 1 – анод; 2 – траектория иона; 3 – траектория электрона; 4 – катод; 5 – углеродная решётка Распределение магнитной индукции поперек А-К зазора на внутреннем радиусе диода (1) и на внешнем радиусе (2).

10. Bystritskii V.M., Glushko Yu.A., Kharlov A.V., Sinebryukhov A.A. Experiments on high power ion beam generation in self-insulated diodes // Laser and Particle Beams. – 1991. – Vol. 9. – № 3. – P. 691–698. Схема сферического диода с самоизоляцией: 1 – калориметр, 2 – активный делитель напряжения, 3, 4, 8 – пояса Роговского, 5 – петля индуктивной коррекции, 6 – анод, 7 – катод, 9 – электронный диод, 10 – фланец откачки. Типичные кривые напряжения на диоде (1), тока диода (2) и ионного тока (3) для диода с жалюзийным катодом с А-К зазором 10 мм

11. Bкр = 0.25-0.38 Тл Вmin = 1.8 Tл (τe = τion ) Распределение магнитной индукции поперек А-К зазора на внутреннем радиусе диода (1) и на внешнем радиусе (2). τe ≤ τion

12. Быстрицкий В.М., Диденко А.Н., Красик Я.Е., Матвиенко В.М. Генерация мощного ленточного ионного пучка в диоде с самоизоляцией // Физика плазмы. – 1985. – Т. 11. – № 9. – С. 1057–1061. Схема ленточного диода с самоизоляцией и диагностические средства: 1 – ленточный анод, 2 – диэлектрическое покрытие анода, 3 – анодный пояс Роговского, 4 – ленточный катод, 5 – КЦФ, 6 – дополнительный отвод, 7 – катодный пояс Роговского, 8 – мишени, 9 – участок срыва электронного потока, 10 – изолятор ускорителя, 11 – ДФЛ, 12 – делитель напряжения

13. Bкр = 0.19 Тл Вmin = 0.23 Tл Распределение магнитной индукции в поперечном сечении диода вдоль поверхности заземленного электрода (1) на расстоянии 1 мм (сечение 1). Кривая 2 – распределение магнитной индукции поперек А-К зазора (сечение 2) в центре диода. τe ≤ τion

14. Yoshikawa Т., Masugata К., Ito M.Matsui. M., and K. Yatsui Planar-type self-magnetically insulated diode as a new source of intense pulsed light-ion beam // J. Appl. Phys., v. 56, No 11 (1984), p.3137-3140. Типичные кривые напряжения на диоде (1), тока диода (2) и плотности ионного тока (3)

15. Bкр = 0.25 Тл Вmin = 1.75 Tл Распределение магнитной индукции в поперечном сечении диода вдоль поверхности заземленного электрода (сечение 1) на расстоянии 1 мм (1) и поперек А-К зазора (сечение 2) в центре диода. Кривая 3 – магнитная индукция без учета демпфирования. τe ≤ τion

16. Режим работы ионных диодов с магнитной самоизоляцией разной конструкции Вкр – критическая магнитная индукция Вmin - магнитная индукция в А-К зазоре, при которой время дрейфа электронов равно времени ускорения ионов ВАК - магнитная индукция в области дрейфа электронов в А-К зазоре ЧЛ – отношение расчетной плотности ионного тока (соотн. 2) к расчетной плотности электронного тока (соотн. 1) К1 –отношение экспериментальной плотности ионного тока к расчетной по соотношению 2 К2 – отношение расчетной плотности электронного тока по соотношению 1 к экспериментальной плотности электронного тока

17. Осциллограммы ускоряющего напряжения (1), полного тока в плоском диоде (2), расчетный ток электронов (3) и протонов (4). Зазор 8 мм. Диодный узел с плоским диодом 17

18. Основные расчетные соотношения электронный ток ионный ток 18 18

19. Осциллограммы ускоряющего напряжения (1), полного тока в плоском диоде (2), расчетный ток электронов (3) и протонов (4). Зазор 8 мм. • Большой электронный ток может быть вызван: • Наличием незамагниченной области диода (В ≤ Вкр) • Высокой скоростью дрейфа электронов (τe ≤ τion)

20. 1. Анализ изменения условий магнитной изоляции по длине диода В ≥ Вкр В ≤ Вкр Схема движения электронов и силовых линий магнитного поля в полосковом диоде на втором импульсе

21. cathode Распределение магнитной индукции в анод-катодном зазоре (Elcut) Распределение индукции магнитного поля в плоском полосковом диоде. Материал потенциального электрода графит

22. поперек А-К зазора 40 мм×1 мм, ток 10 кА grounded electrode (anode) potential electrode (cathode) B(t) = 0.014·I(t), Тл, при токе в кА. Распределение магнитной индукции в поперечном сечении диода (а): 1 – заземленный электрод, 2 – потенциальный электрод. Изменение магнитной индукции в сечении 1 диода (б) с учетом (1) и без учета (2) демпфирования магнитного поля материалом потенциального электрода. Кривая 3 – распределение магнитной индукции поперек А-К зазора в центре диода (сечение 2). 22

23. Осциллограммы ускоряющего напряжения (1) и полного тока (2) в плоском полосковом диоде B(t) = 0.014·I(t) Осциллограмма ускоряющего напряжения (1), критическая магнитная индукция (2) и магнитная индукция в А-К зазоре (3)

24. Незамагниченная площадь в плоском диоде не превышает 25%. Отношение магнитной индукции в а-к зазоре к критической магнитной индукции (2) • Это справедливо при условии: • Однородная генерация электронов по длине диода. • Незначительное падение напряжения на индуктивности заземленного электрода. • Электроны в области дрейфа не дают вклад в магнитное поле в А-К зазоре

25. 1.4. Исследование однородности генерации пучка в плоском диоде Схема измерения распределения плотности энергии МИП

26. Тепловой отпечаток и распределение плотности энергии на мишени из латуни толщиной 80 мкм. Расстояние от диода до мишени 5 см.

27. В диоде с магнитной самоизоляцией происходит эффективное плазмо-образование на всей поверхности взрывоэмиссионного потенциального электрода. Rcalc = Rexp Pushkarev A.I.et al Phys. of Plasmas 17, 013104 (2010).

28. Магнитная индукция в а-к зазоре по длине диода меняется незначительно и равна сумме магнитной индукции тока по заземленному электроду и магнитной индукции дрейфующих вдоль его поверхности электронов. 1.5. Оценка вклада дрейфующих электронов в формирование магнитного поля Высота трохоиды дрейфового движения электронов в диоде с магнитной изоляцией на втором импульсе: Изменение высоты трохоиды дрейфового движения электронов (2).

29. 1.6. Анализ неоднородности электрического поля в анод-катодном зазоре за счет падения напряжения на заземленном электроде Электроны движутся от точки заземления к области эмиссии в а-к зазор, вызывая падение напряжения вдоль электрода. Поэтому ускоряющее напряжение будет меняться по длине диода. Плотность ионного тока зависит от ускоряющего напряжения и будет меняться по длине диода. Активное сопротивление области заземленного электрода, в которой перемещаются электроны, равно: где ρ –удельное сопротивление материала электрода (сталь 0.15 Ом·mm2/м), l- длина электрода, h - ширина заземленного электрода, ts - толщина скин-слоя. Толщина скин-слоя в заземленном электроде, выполненном из нержавеющей стали, составляет 0.12 мм для тока с частотой 2.5 МГц (длительность импульса тока 200 нс, см. Рис. 4). Для заземленного электрода из нержавеющей стали полное омическое сопротивление равно 3.7·10-3 Ом. При полном токе 50 кА падение напряжения составит 185 В.

30. Uинд = L·dI/dt Для прямолинейного проводника на высокой частоте индуктивность можно рассчитать по соотношению: где μ0– магнитная постоянная; l– длина проводника, м; d– диаметр проводника, м. Осциллограммы напряжения на потенциальном электроде U, полного тока диода Iпр, падение напряжения на заземленном электроде Uинд и напряжение в анод-катодном зазоре Uак на 15 см от точки заземления Изменение индуктивности заземленного электрода по его длине

31. Отношение магнитной индукции в а-к зазоре к критической магнитной индукции (2) Площадь незамагниченной области диода: Выполненный анализ показал, что если полный ток в диоде с магнитной самоизоляцией определяется площадью незамагниченной области диода, то эта площадь должна превышать 50% полной площади диода. Но эта площадь в плоском диоде не превышает 25% даже без учета вклада дрейфующих электронов. Поэтому низкая эффективность подавления электронного тока в диоде с магнитной самоизоляцией не может быть обусловлена областью с низкой индукцией магнитного поля (B<Bкр) в конце диода. • Правильность выполненных расчетов подтверждают экспериментальные исследования • с формированием доп. магнитного поля в зазоре постоянными магнитами (0.1-0.15 Тл) • при протекании дополнительного тока (5-7 кА, разная полярность) по полосковому заземленному электроду.

32. Эффективность подавления электронной компоненты в диодах с магнитной изоляцией определяется соотношением времени нахождения электронов и ионов в анод-катодном зазоре. Скорость дрейфа электронов в скрещенном электрическом и магнитном поле: 2. Расчет скорости дрейфа электронов. где Е— напряжённость электрического поля, В/м, В– магнитная индукция, Тл. Расчет линейной скорости электронов выполнен с учетом высоты трохоиды, по которой они перемещаются, и релятивистского фактора: при Uв кВ, d и Δ в мм.

33. Изменение дрейфовой (2) и линейной (3) скорости электронов Отношение линейной скорости электрона к дрейфовой (2)

34. Изменение скорости дрейфа электронов в А-К зазоре при генерации ионного пучка в кольцевом (1), конусном (2) и плоском полосковом (3) диодах с магнитной самоизоляцией.

35. Расчет времени ускорения ионов Ионы в А-К зазоре под действием электрического поля движутся с постоянным ускорением. Их скорость при этом равна: v(t) = v0+at где а – ускорение в электрическом поле. При v0 = 0 скорость ионов после прохождения зазора равна vmax = aτion, где τion – время пребывания иона в ускоряющем зазоре диода. Сила Кулона, действующая на ион в электрическом поле, равна: Кинетическая энергия иона после прохождения ускоряющего промежутка с разностью потенциалов U равна:

36. При условии равноускоренного движения ионов в анод-катодном зазоре продолжительность их ускорения (с учетом сокращения анод-катодного зазора и эффекта плазменного размыкания) равна: vmax – скорость иона после прохождения а-к зазора, а – ускорение в электрическом поле.

37. Осциллограмма ускоряющего напряжения, время нахождения ионов С+, протонов и электронов в анод-катодном зазоре.

38. Изменение отношения времени нахождения электронов и ионов С+ в А-К зазоре в конусном, кольцевом (1) и плоском полосковом (2) диодах.

39. Проведенные исследования показали, что дрейф электронов вдоль анод-катодного промежутка диода с магнитной самоизоляцией не обеспечивает подавление электронного тока.

40. Исследование работы диода в одноимпульсном режиме Эффект подавления электронного тока в ионном диоде с магнитной самоизоляцией удобно исследовать при работе ускорителя ТЕМП-4М в одноимпульсном режиме. В этом случае заряд внутренней линии идет через зарядную индуктивность 5, установленную перед предварительным разрядником 4 в ДФЛ. Предварительный разрядник 4 срабатывает только после пробоя основного разрядника 1, предотвращая поступление напряжение на анод диода в течение зарядки ДФП. Поэтому к моменту прихода ускоряющего импульса положительной полярности на анод анодная плазма отсутствует и полный ток в диоде определяется только электронным током с катода.

41. Осциллограммы ускоряющего напряжения (1), полного тока в плоском диоде (2), расчетный ток электронов (3). Зазор 7 мм (а) и 6 мм (b).

42. Область дрейфа Изменение концентрации электронов в области пространственного заряда. Зазор 8 мм. 3. Механизм подавления электронного тока. Снижение электронного тока в диоде с магнитной самоизоляцией на втором импульсе может быть вызвано увеличением плотности электронов у поверхности заземленного электрода (катод на втором импульсе) дрейфующими электронами. Эти электроны образуют виртуальный катод, препятствующий эмиссии электронов с поверхности заземленного электрода. Изменение высоты трохоиды дрейфового движения электронов (2).

43. Схема движения электронов и ионов в диоде с магнитной самоизоляцией

44. Изменение концентрации электронов в области пространственного заряда. Зазор 8 мм. концентрацию дрейфующих электронов nдр(t) можно рассчитать из соотношения: Изменение концентрации электронов в области дрейфа. Этот эффект приводит также и к усилению ионного тока в диоде с магнитной самоизоляцией. Часть электронов дрейфует в анод-катодном зазоре в области объемного заряда ионов (вблизи поверхности потенциального электрода), обеспечивая дополнительную компенсацию заряда ионов и увеличение плотности ионного тока. Коэффициент усиления составляет 5-9 и увеличивается с ростом паузы между первым и вторым импульсом.

45. Изменение концентрации электронов в области пространственного заряда. Зазор 8 мм.

46. Dependence of amplification coefficient on delay in second pulse formation. Alexander I. Pushkarev, Yulia I. Isakova and Dmitry V. Vahrushev The effect of ion current density amplification in a diode with passive anode in magnetic self-isolation mode// Physics of Plasmas17, 123112 (2010)

47. Qэксп = Qрасч = 7±0.3 мКл Для дополнительного подтверждения полученных результатов были выполнены исследования кольцевого диода.

48. 4. Исследование кольцевого диода с магнитной самоизоляцией. Средняя длина витка заземленного электрода 55 см, что в 2.5 раз превышает длину полоскового диода. Площадь электрода равна 270 см2.

49. Осциллограммы ускоряющего напряжения (1) и полного тока в кольцевом диоде (2). Кривая 3 - расчетный ток электронов, кривая 4 расчетный ток протонов. Зазор 8-10 мм. Iрасч/Iэксп =6 Qэксп = 4.6 мКл Qрасч = 22 мКл

50. Осциллограмма ускоряющего напряжения (1), время нахождения ионов С+ (2), протонов (3) и электронов (4) в анод-катодном зазоре кольцевого диода