ИССЛЕДОВАНИЕ ИОННОГО ДИОДА С ВЗРЫВОЭМИССИОННЫМ КАТОДОМ 1.INTRODUCTION 2.EXPERIMENTAL INSTALLATION 3.BASIC CALCULATION EQUATIONS 4.DISCRETE EMISSIVE SURFACE MODE 5.MODE OF VOLUMETRIC CHARGE LIMITATION 6.MODE OF MAGNETIC SELF-ISOLATION 7.CONCLUSION

Principal problems of High-Power Pulsed Ion Beam formation 1.Generation of ion current is significantly higher than for bipolar current (I i > I e ) 2.Formation of dense, uniform plasma at the anode (n i > cm -3 )

4 электронный ток ионный ток для протонов

Formation of ion current in ion diode It is necessary to increase the time of electron presence (t e ) in the diode gap The main scheme: Mesh films Reflective triode (double diode) Magnetically isolated diodePinch-diode Cathode Anode (mesh) Virtual cathode i+i+ e-e- +V 0 A i+i+ e-e- ByBy A C i+i+ Plasma

6 R.N. Sudan and R.V. Lovelace Generation of Intense Ion Beams in Pulsed Diodes Physical Review Letters, November 1973, vol. 31, # 19, pp

7 Dreike P., Eichenberger C., Humphries S., Sudan R. Production of Intense Proton Fluxes in a Magnetically Insulated Diode J. Appl. Phys. – 1976.

8 Stanley Humphries Jr. SELF MAGNETIC INSULATION OF PULSED ION DIODES Plasma Physics, 1977, Vol. 19, pp. 399 to 406. Cylindrical self magnetically insulated ion focusing diode. анод

Principal problems of High-Power Pulsed Ion Beam formation 1.Generation of ion current is significantly higher than for bipolar current (I i > I Сn-L ) 2.Formation of dense, uniform plasma at the anode (n i > cm -3 )

Formation of dense uniform plasma at the anode Dielectric surface breakdown Plasma-filled diode (injection of plasma or neutral gas with consequent breakdown) Diode with dense anode plasma formed by additional nanosecond pulse prior to the principal pulse U U U A A K(A) K K A(K) U Z U Z breakdown 1020t, ns 1020t, ns U U Z U Z U Z

11 X. P. Zhu, M. K. Lei, Z. H. Dong, and T. C. Ma. Rev. Sci. Instrum., Vol. 74, No. 1, (2003). pp Диодный узел ускорителя ТЕМП-6, изменения плотности ионного тока и напряжения в серии импульсов Dielectric surface breakdown

12 Hiroaki Ito, Kodai Fujikawa, Hidenori Miyake, and Katsumi Masugata. IEEE TRANSACTIONS ON PLASMA SCIENCE, VOL. 37, NO. 10, OCTOBER 2009 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. a b injection of plasma

13 E. I. Logachev, G. E. Remnev and Y. P. Usov. Techn. Phys. Lett., vol. 6, no. 22, pp. 1404–1406, Nov Basic diagram of the setup: 1 - Gun, 2 - Potential electrode, 3 - Tungsten mesh, transparency 80%, 4 - Deflecting magnet, 5 - 1st probe, 6 - 2nd probe, 7 - Faraday cup.

14 Е.И. Логачев, Г.Е. Ремнев и Ю.П. Усов. Авторское свидетельство SU A Приоритет от г. Опубликовано Бюл. 13. Блок-схема генератора разнополярных наносекундных импульсов Осциллограммы напряжения и полного тока МИД с самоизоляцией

Изменение ускоряющего напряжения (1) и концентрации ионов (2) при генерации МИП Типичные осциллограммы, характеризующие работу диодного узла с плоским полосковым диодом при генерации МИП. Расстояние до КЦФ 11 см, зазор 8.5 мм. Осциллограммы напряжения, второй импульс (1) и плотности ионного тока (2, точки) в плоском диоде.

16 1. EXPERIMENTAL INSTALLATION Diode joint of accelerator TEMP-4M Ion accelerator TEMP-4M

17 Пушкарев А.И. и др. Импульсный ионный ускоритель // Патент РФ на полезную модель RU U1, приоритет от

18 TEMP-4M : voltage kV Beam composition: ions of carbon (C +, C 2+, C 3+ ) and protons, ion current density on target A/cm 2 (for different types of diodes), pulse frequency 5-10 pulses per minute.

19 Калибровка диагностического оборудования Oscilloscope traces of voltage and current R = 5.2 Ohm L = 240 nH U расч =R·I пр +240dI пр /dt

20 Схема диодного узла и фотография плоского полоскового диода: потенциальный электрод диода (1), заземленный электрод (2), колимированный цилиндр Фарадея (3), пояс Роговского (4)

21

22 Внешний диаметр заземленного электрода 225 мм, внутренний диаметр 125 мм. Средняя длина витка электрода составляет 55 см, что в 2.5 раз превышает длину полоскового диода. Площадь заземленного электрода равна 270 см 2.

23 BASIC CALCULATION EQUATIONS cathode plasma expansion speed: impedance of diode: electron current density limited by space charge (Child-Langmuir law):

24 mode of volumetric charge limitation Rexp=Rcalc discrete emissive surface mode Rexp>Rcalc mode of magnetic self-isolation Rexp>Rcalc Denotation of the operating modes of the TEMP-4M

25 1. РЕЖИМ ДИСКРЕТНОЙ ЭМИССИОННОЙ ПОВЕРХНОСТИ grounded electrode (anode) potential electrode (cathode) Discrete explosion-emissive center U= kV

26 Dependence of the duration of solid emissive surface formation on the graphite cathode surface area. Pushkarev A.I. ets.// Technical Physics, 2008, Vol. 53, No. 3, pp. 357–362.

27 The duration of the plasma solid surface formation on the cathode is proportionate to it area. This is true for the explosion-emissive cathode in the electron diode (without magnetic field) and in the ion diode with self-magnetic insulation of electrons. Our research shows that in the discrete emissive surface mode the magnetic field influence on the plasma dynamics in the a-c gap is insignificant. Additional articles: 1.Pushkarev A.I., Novoselov Yu.N., and Sazonov R.V. Efficiency of a Planar Diode with an Explosive Emission Cathode under the Conditions of Delayed Plasma Formation // Technical Physics, 2008, Vol. 53, No. 3, pp. 357– Pushkarev A.I. and Sazonov R.V. A Planar Diode Operating in the Regime of Limited Electron Emission // Technical Physics Letters, 2008, Vol. 34, No. 4, pp. 292–295.

A Planar Diode Operating in the Mode of Limited Electron Emission

А. Ф. ШУБИН, Я. Я. ЮРИКЕ О РОСТЕ ТОКА В НАЧАЛЬНОЙ СТАДИИ ВАКУУМНОГО ПРОБОЯ МЕЖДУ ПЛОСКИМИ ЭЛЕКТРОДАМИ ПРИ МЕДЛЕННОМ УВЕЛИЧЕНИИ НАПРЯЖЕНИЯ Известия ВУЗов. Физика. 1975, т. 157, 6 Формула Шубина Катодный факел

CIRCUIT MODELING of a VACUUM GAP DURING BREAKDOWN Goran Djogo and J. D. Cross //IEEE TRANSACTIONS ON PLASMA SCIENCE, VOL. 25, 4, Table 1 Fitting coefficients for perveance formula gapabс plane - plane needle(-) - plane(+) cone(-) - plane(+) cone(+) - plane(-)

Ток в сильноточном планарном диоде с дискретной эмиссионной поверхностью С.Я. Беломытцев, С.Д. Коровин, И.В. Пегель // ЖТФ, 1999, том 69, вып. 6

33 Величину площади эмитирующей поверхности катода можно рассчитать из отношения экспериментальных значений тока электронного пучка к расчетным по соотношению ЧЛ: Изменение площади эмитирующей поверхности катода при генерации импульса электронного тока для катода диаметром 45 мм, S=16 см 2 (1) и 60 мм, S=28 см 2 (2). Кривая 3 – осциллограмма напряжения.

34 Изменение площади эмитирующей поверхности катода при генерации импульса электронного тока для катода диаметром 45 мм (S = 16 см 2 ), выполненного из графита (1) и углеродной ткани (2).

Calculcation of diode perveance 35 Current density limited by space charge is (Child-Langmuir law): where ε 0 is absolute dielectric penetrability, e and m are charge and mass of electron, U is voltage, d is gap. Perveance of diode with discrete emission surface can be written down as following where S(t) is the sum area of plasma emission surface on the cathode.

Pushkarev A.I. and Sazonov R.V. A Planar Diode Operating in the Regime of Limited Electron Emission // Technical Physics Letters, 2008, Vol. 34, No. 4, pp. 292–295. Let us assume that the emitting centers are equidistant from each other and form a uniform cellular structure on the cathode surface; the emitting centers are formed simultaneously their number remains the same during the entire period of the electron beam generation.

37 Площадь одиночного эмитирующего центра равна площади окружности с радиусом, равным произведению скорости разлета взрывоэмиссионной плазмы на время с момента образования центра: S э = π(v·t) 2 Но данная зависимость корректна только до тех пор, пока эмитирующий центр не перекрывается с соседним эмитирующим центром, то есть не выходит за границы шестигранника, в который он вписан. Далее необходимо из площади окружности вычесть площадь 6 сегментов, которые будут выходить за пределы шестигранника (см. рис. 48). Схема расположения эмиссионных центров на поверхности катода и модель для расчета площади эмиссионного центра.

38 где N - количество эмиссионных центров, α = 2arcos(b/v·t), в радианах, b – расстояние между соседними эмиссионными центрами. Количество эмитирующих центров равно отношению площади катода к площади одного шестигранника, образующего сотовую структуру: Тогда суммарная эмитирующая площадь катода равна:

39 Минимальное расстояние между дискретными эмиссионными центрами b определяется эффектом экранирования электрического поля вокруг центра: Радиус экранирования r равен 2–3 мм для электронного тока от одного эмиссионного центра I 1 = 90 A и среднего напряжения при формирования центров эмиссии 400–500 кВ.

40 Diode unit of pulsed electron accelerator: 1 – cathode; 2 – anode; Experimental setup accelerating voltage kV, full pulse duration 100 ns, total electron energy in pulse up to 250 J The block diagram of diode unit

41 U Capacitor divider Differential divider Diagnostics equipment Oscillograms of voltage: 1 - capacitor divider 2 – differential divider (after integration) Oscillograms of current: 1 - Faraday cup 3 - Rogovsky coil I Faraday cup, R = 0,0485 Оhm Rogovsky coil

42 Calculation of impedance from oscillograms of voltage and current Equivalent circuit of diode unit of pulsed electron accelerator R = 43.5 Ohm.

The experimental (1) and calculation (2) values of diode perveance during electron current pulse generation for graphite cathode 60 mm in diameter when the gap is 12 (1), 13.5 (2) and 15 mm (3).

Conclusion The performed studies showed that the experimental characteristic of planar diode with graphite cathode in the initial period of time (with the discrete emission surface of cathode) is well described by the modified Child-Langmuir correlation under the condition of simultaneous appearance of separate emitters and increase of their radius at a constant speed. In the initial period of time when the emitter radius is much smaller than the distance between neighbor emitters the form-factor value in the modified Child-Langmuir correlation corresponds to the experimental values obtained while studying a single emission center. With the increase of emitter size the form-factor value reduces to 1. This corresponds to the volt-ampere characteristics of planar diode with solid emission surface at the cathode.