ИССЛЕДОВАНИЕ ИОННОГО ДИОДА С ВЗРЫВОЭМИССИОННЫМ КАТОДОМ. ЧАСТЬ 4

1. ИССЛЕДОВАНИЕ ИОННОГО ДИОДА С ВЗРЫВОЭМИССИОННЫМ КАТОДОМ. ЧАСТЬ 4 • INTRODUCTION • EXPERIMENTAL INSTALLATION • BASIC CALCULATION EQUATIONS • DISCRETE EMISSIVE SURFACE MODE • MODE OF VOLUMETRIC CHARGE LIMITATION • 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 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. Основные расчетные соотношения электронный ток ионный ток 4 4

5. 5 5

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

7. ЭФФЕКТ УСИЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ИОННОГО ТОКА В ДИОДЕ С ПАССИВНЫМ АНОДОМ В РЕЖИМЕ МАГНИТНОЙ САМОИЗОЛЯЦИИ • Введение • Экспериментальный стенд TEMP-4M • Основные расчетные соотношения • Исследование состава и плотности ионного тока • Расчет величины анод-катодного зазора • Механизм усиления плотности ионного тока • Заключение

8. P. Dreike, C. Eichenberger, S. Humphries, and R. Sudan Production of intense proton fluxes in a magnetically insulated diode //Journal of Applied Physics, Vol. 47, No. 1, pp. 85.January 1976 8 8

9. Z. Werner, J. Piekoszewski, W. Szymczyk Generation of high-intensity pulsed ion and plasma beams for material processing// Vacuum 63, 701 (2001). 9

10. S. Humphries, Charged Particle Beams. Wiley, New York, 1990, 847 p. 10 10

11. Diode joint of accelerator TEMP-4M 11

12. Исследование состава и плотности ионного тока • Для анализа состава ионного пучка, формируемого диодом, использовали явление пространственного разделения разных ионов по пути движения от диода до регистрирующего устройства – КЦФ. При ускорении в анод-катодном зазоре диода ионы разной массы и степени ионизации приобретают разную скорость. • При этом предполагали, что: • в диоде ионы разных типов формируются синхронно в течение импульса ускоряющего напряжения, • на пути дрейфа их скорость не меняется. • Плотность ионов пучка, формируемого ускорителем ТЕМП-4М, менее 1013 см-2, поэтому вероятность их столкновения (и изменения скорости) в пространстве дрейфа низка. • Для каждого момента времени генерации ионного пучка по величине напряжения, приложенному к диоду (шаг 0,4 нс), рассчитывали плотность тока определенного типа ионов и величину задержки прихода этих ионов в КЦФ. Расчетные кривые сопоставляли с экспериментальными данными.

13. D Исакова Ю.И., Пушкарев А.И. Измерение состава и энергетического спектра импульсного ионного пучка времяпролетным методом высокого разрешения // Известия Томского политехнического университета. – 2010 – Т. 316. – № 2, с. 76–79. Oscilloscope traces of voltage and ion current density (dots) in the planar diode. The estimated current density of C+ ions, whenK = 7, and the estimated current density of protons, when K = 2.D=11 cm. 13

14. Расстояние до КЦФ 14 см Расстояние до КЦФ 17 см. Осциллограммы напряжения (1) и плотности ионного тока (2) в плоском диоде. Кривая 3 – расчетная плотность тока протонов, кривая 4 – расчетная плотность тока ионов С+.

15. Dependence of amplification coefficient on delay in second pulse formation.

16. potential electrode (anode) U=200-300 kV + grounded electrode (cathode) Ion beam Возможная причина увеличения плотности ионного тока выше предела ЧЛ – сокращение А-К зазора взрывоэмиссионной плазмой ионный ток 16 16

17. potential electrode (cathode) grounded electrode (anode) discrete emissive surface mode mode of volumetric charge limitation explosion-emissive plasma Эффект плазменного сжатия 17 17 MODE OF MAGNETIC SELF-ISOLATION

18. Анализ величины а-к зазора по электронному току В режиме ограничения тока объемным зарядом плотность тока однократно ионизованных ионов углерода С+ составляет 0.7% плотности электронного тока. Оптимизация конструкции и режима работы ионного диода с магнитной самоизоляцией позволила увеличить эффективность генерации ионного тока в 10–12 раз. Но при этом ионная компонента тока не превышает 10% величины полного тока диода. Поэтому в пределах точности измерения ВАХ динамику взрывоэмиссионной плазмы в анод-катодном зазоре можно контролировать по соотношению Childe-Langmuir для электронной компоненты тока. Тогда импеданс диода равен: где S0 - площадь потенциального электрода диода. Pushkarev A.I., Isakova J.I., Saltimakov M.S. and Sazonov R.V. Investigation of magnetically self-insulated effect in an ion diode with an explosive emission potential electrode // Phys. of Plasmas 17, 013104 (2010).

19. (1) (2) 19

20. Анализ величины А-К зазора по ионному току Dependence of amplification coefficient on delay in second pulse formation.

21. Механизм усиления плотности ионного тока 21

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

23. Часть электронов дрейфует в анод-катодном зазоре в области объемного заряда ионов, обеспечивая дополнительную компенсацию и увеличение плотности ионного тока. S. Humphries, Charged Particle Beams. Wiley, New York, 1990, 847 p. 23

24. Режим ограничения объемным зарядом • Однополярный поток К = 1 • Биполярный поток К = 1.86 • Внешнее магнитное поле Кmax = 2÷3 • Магнитная самоизоляция К = 5÷10 При коэффициенте усиления, равном 6-8, плотность ионного тока определяется степенью компенсации объемного заряда ионов потоком замагниченных электронов вдоль поверхности потенциального электрода.

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. 26

27. 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

28. Результаты анализа работы ионных диодов с магнитной самоизоляцией К1 – превышение плотности ионного тока предела CL К2 – подавление электронного тока К3 – эффективность генерации МИП по отношению к CL К3=К1×К2 Эти результаты получены без подавления электронного тока собственным магнитным полем 28 28

29. Заключение • В диоде с магнитной самоизоляцией происходит дополнительная компенсация объемного заряда ионов замагниченными электронами. Степень компенсации достигает 70-80% и существенно снижает ограничение плотности ионного тока объемным зарядом. • Ионный диод с магнитной самоизоляцией является удобным инструментом для исследования процессов генерации мощных ионных пучков. Динамику взрывоэмиссионной плазмы можно контролировать по ВАХ диода, а процесс генерации ионов – по плотности ионного тока. В обоих независимых диагностиках используется измерение ВАХ, что обеспечивает очень высокое временное разрешение. • 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).86987204

30. 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 30

31. Схема измерения параметров МИП • Ускоряющее напряжение • Полный ток в диоде • Длительность первого импульса • Плотность ионного тока 4. Схема измерения параметров МИП 31 31

32. 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 32

33. 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 33

34. 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. 34

35. 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. 35

36. 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. 36

37. 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. 37

38. Результаты статистической обработки Изменение амплитуды импульса плотности ионного тока и гистограмма значений 5×50 импульсов. Корреляцияплотности ионного тока с параметрами генератора наносекундных импульсов 38

39. Dependence of amplification coefficient on delay in second pulse formation. 7. Анализ источников нестабильности генерации МИП. Alexander I. Pushkarev, Yulia I. Isakova and Dmitry V. VahrushevPhysics of Plasmas17, 123112 (2010) 39

40. Заключение • Выполненные исследования показали слабую корреляцию амплитуды импульса плотности тока МИП с выходными параметрами генератора наносекундных импульсов. • Генерация ионного тока идет несинхронно по сечению пучка. Коэффициент детерминации для плотности тока МИП в точках, удаленных друг от друга вдоль поверхности диода на расстояние более 5 см не превышает 0.12. • Фокусировка ионного пучка позволяет увеличить стабильность плотности ионного тока в серии импульсов. Стандартная девиация амплитуды импульса плотности ионного тока снизилась до 18-20%. • Нестабильность плотности ионного тока в серии импульсов обусловлена случайным изменением плотности диффузионного потока электронов из области дрейфа. 40

41. 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.

42. the Blumlein lineQ1 ion diode Qd an additional energy source for the formation of the magnetic field Q2 Для диодов с внешней магнитной изоляцией эффективность генерации МИП гигаватной мощности, равная 15-20%, является предельной. Ионный диод с внешней магнитной изоляцией 42 42