ИССЛЕДОВАНИЕ ИОННОГО ДИОДА СО 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

2 mode of volumetric charge limitation R exp = R calc discrete emissive surface mode R exp > R calc mode of magnetic self-isolation R exp > R calc Denotation of the operating modes of the TEMP-4M

3 grounded electrode (anode) potential electrode (cathode) explosion-emissive plasma V = 1.3 ± 0.2 cm/μs = constant 2. РЕЖИМ ОГРАНИЧЕНИЯ ОБЪЕМНЫМ ЗАРЯДОМ U= kV

4 Carbon, Al, Cu R calc = R exp V = 1.3 ± 0.2 cm/μs = constant Pushkarev A. I., Isakova J. I., Saltimakov M. S., Sazonov R.V. Research on the plasma dynamics in a magnetically self-insulated ion diode with explosive emission potential electrode // Natural Science, Vol.2, No.5, p (2010).

5 J. P. Xin, X. P. Zhu, and M. K. Lei Initial plasma of a magnetically insulated ion diode in bipolar-pulse mode // PHYSICS OF PLASMAS 15, (2008) TEMP-6 Evolution of the anode plasma expansion velocity of the self-magnetic field MID. At PIB generation, the reduction of expansion of explosion-emissive plasma is a useful effect, which decreases the possibility of the anode-cathode gap bridging by plasma.

ДИНАМИКА СКОРОСТИ КАТОДНОЙ ПЛАЗМЫ В ПЛАНАРНОМ ДИОДЕ СО ВЗРЫВОЭМИССИОННЫМ КАТОДОМ 1.Введение 2.Литературный обзор 3.Экспериментальная установка 4.Расчетные соотношения 5.Измерение скорости плазмы в диоде с катодом: из графита, Ф45 мм из углеродной ткани, Ф45 мм и Ф60 мм медным сплошным и многоострийным многоигольчатым 6. Измерение скорости плазмы на последующих импульсах 7. Исследование влияния анодной плазмы 8. Заключение Yulia I. Isakova, Galina E. Kholodnaya and Alexander I. Pushkarev Influence of Cathode Diameter on the Operation of a Planar Diode with an Explosive Emission Cathode // Advances in High Energy Physics, 2011, vol. 2011, Article ID

В начальный период можно выделить два режима работы диода : 1. Режим ограничения объемным зарядом электронов в А-К зазоре I э = I ч-л 2. Режим насыщения I э < I ч-л Рост скорости взрывоэмиссионной плазмы возможен: 1.Из-за ускорения ионов в электрическом поле виртуальный катод – катодная плазма 2. Из-за расширения плазменного облака в вакуум с ускорением 3. Из-за роста температуры плазмы при ее джоулевом нагреве током электронов I э = I ч-л

Методы измерения скорости катодной плазмы: 1.Метод пробоя промежутка 2.Метод заземленной сетки и коллектора 3.Метод поперечного магнитного поля 4.Метод эрозионной метки на аноде 5.Оптический метод 6.Измерение по ВАХ диода Зависимость скорости разлета катодной плазмы от длины промежутка при разных значениях амплитуды приложенного напряжения: о 105, » 110, 125 и 175 кВ.

Зависимости r K (t) при U 0 = 20 кВ (1), 30 кВ (2), 40 кВ в течение первых нс скорость движения границы эмиссии составляет 1,2 см/мкс и затем возрастает примерно до 2,4 см/мкс. t, ns Месяц Г. А. Эктоны. Часть 1. Екатеринбург - «Наука», где U(t) U 0 i(t)R; R = 75 Ом сопротивление внешнего контура; h=2,85 мм высота сегмента; a(t)табулированная функция отношения ra/rк. гк радиус границы эмиссии электронов. I э = I ч-л

Выполнен анализ изменения тока диода с медным острийным катодом диаметром 50 μm при зазоре 18 mm и напряжении 30 kV. Баженов Г.П., Ладыженский О.Б., Литвинов Е.А., Чесноков С.М. К вопросу о формировании эмиссионной границы плазмы катодного факела при взрывной эмиссии электронов // ЖТФ Т. 47, 10. С Установлено, что после приложения импульса напряжения скорость катодной плазмы в течение 30 нс составляла 3.8 см/мкс и затем уменьшалась в режиме насыщения до 1.1 см/мкс. I э = I ч-л

R. K. Parker, Richard E. Anderson, and Charles V. Duncan Plasma-induced field emission and the characteristics of high-current electron flow // Journal of Applied Physics, Vol. 45, No. 6, June d is the effective diode separation, set equal to d 0 vt. катод анод Первеанс диода равен: P = P 0 + P 1, Где Р 0 – первеанс плоской части катода, P 1 – первеанс периферийной области диода

Зависимость импеданса z (а) и эффективного ускоряющего промежутка d эф (б) от времени [2] Schneider R., Stallings С., Cummings. J. Vac. Sci. Tech., 1975, v. 12, p

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

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

Месяц ГА. Эктоны в вакуумном разряде: пробой, искра, дуга. -М: Наука, с. Для системы с плоскими электродами и одиночным КФ, возникшим на месте искусственно созданного микровыступа (Uо = кВ, d = мм), экспериментальные точки лучше всего укладывались на одну кривую Р = f(vt/d) (рис. 12.3, б).

Цель представленной работы – исследование с высоким временным разрешением изменения скорости расширения катодной плазмы в планарном диоде в течение формирования импульса электронного тока при согласовании импеданса диода с выходным сопротивлением наносекундного генератора напряжения.

Диодный узел ускорителя: 1 – катод 2 – цилиндр Фарадея 7 – пояс Роговского 8 – емкостной делитель 1. Емкостной делитель Делитель имеет емкость 22 нФ, постоянная времени равна 1100 нс, что обеспечивает снижение напряжения за длительность импульса на величину не более 7 %. 2. Цилиндр Фарадея Rш = 0,0485 Ом Используемое диагностическое оборудование

Расчетные соотношения С учетом расширения плазменной поверхности катода ВАХ диода описывается соотношением : где r 0 –радиус катода, v- скорость расширения катодной плазмы. Первеанс диода в режиме ограничения тока объемным зарядом равен: скорость расширения катодной плазмы равна:

Исследование диода с графитовым катодом Ф 45 мм Экспериментальные и расчетные значения первеанса планарного диода с графитовым катодом при зазоре 10.5 (1) 12 (2) и 15 mm (3). Кривая 4 - напряжение при а-к зазоре 15 mm. Изменение скорости разлета плазмы в диоде с графитовым катодом при зазоре 10.5 (1), 12 (2) и 15 mm (3).

Исследование диода с катодом из углеродной ткани (вельвет) Ф 45 мм Экспериментальные и расчетные значения первеанса планарного диода с катодом из углеродной ткани при зазоре11 (1) 12.5 (2) и 14 мм (3). Кривая 4-напряжение. Изменение скорости разлета плазмы в диоде с катодом из углеродной ткани при зазоре мм.

Изменение скорости плазмы (1) в диоде с катодом диаметром 45 (1) и 60 мм (2), покрытым углеродной тканью при зазоре мм. Кривая 3-напряжение. Экспериментальные и расчетные значения первеанса планарного диода с катодом из углеродной ткани, диаметр 60 mm, при зазоре 11 (1) 12.5 (2) и 14 mm (3). Кривая 4-напряжение. Исследование диода с катодом из углеродной ткани Ф 60 мм

Исследование планарного диода с медным катодом Экспериментальные (1, 3) и расчетные (2, 4) значения первеанса планарного диода с многоострийным (1, 2) и сплошным (3, 4) медным катодом при а-к зазоре 12 mm. Кривая 5 – напряжение, приложенное к диоду с медным катодом. Изменение скорости плазмы в диоде с многострийным (1) и сплошным (2) медным катодом при а-к зазоре 13 mm. Кривая 3 – напряжение, приложенное к диоду с медным катодом.

Исследование диода с многоигольчатым катодом Изменение скорости разлета плазмы в диоде с многоигольчатым катодом при использовании в качестве анода решетки (1) и коллектора ЦФ (2). Катод Ø43 мм, зазор 12 мм. Кривая 3-напряжение. Экспериментальные (1) и расчетные (2, 3) значения первеанса планарного диода с игольчатым катодом при зазоре 12.5 мм. 140 вольфрамовых игл диаметром 1 мм. Высота игл 11 мм, расстояние между ними 4 мм. Общий диаметр катода равен 43 мм. Pushkarev A.I. Perveance of a Planar Diode with a Multipoint Cathode // Technical Physics, 2008, Vol. 53, No. 3, pp. 363–367.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Выполненные с высоким временным разрешением исследования динамики скорости расширения взрывоэмиссионной плазмы в планарном диоде показали, что после завершения формирования сплошной плазменной поверхности на катоде и до конца импульса (режим ООЗ) скорость плазмы не меняется и составляет 2±0.5 cm/μs для катода из графита и углеродной ткани. 3±0.5 cm/μs для многоигольчатого катода из вольфрама 4±0.5 cm/μs для медного катода влияние отрицательно заряженного слоя около поверхности катодной плазмы (виртуального катода) на дополнительное ускорение ионов незначительно и не превышает cm/μs. влияние анодной плазмы на работу планарного диода с взрывоэмиссионным катодом проявляется только через нс после приложения импульса напряжения. дополнительный ток электронов анодной плазмы вносит наиболее существенный вклад в отклонение ВАХ диода от соотношения Чайлда-Ленгмюра. используемая методика измерения не позволяет оценить скорость расширения взрывоэмиссионной плазмы в течение начальных ns после приложения напряжения.

25 Схема диодного узла и фотография плоского полоскового диода: потенциальный электрод диода (1), заземленный электрод (2), колимированный цилиндр Фарадея (3), пояс Роговского (4) Влияние магнитного поля самоизоляции на первом импульсе

26 Схема движения электронов и силовые линии магнитного поля в полосковом диоде на первом импульсе: 1 – потенциальный электрод, 2 – заземленной электрод, 3 – поток электронов в зазоре, 4 – магнитное поле в зазоре. U= kV

Распределение индукции магнитного поля в плоском полосковом диоде. Материал потенциального электрода – диэлектрик (а) и графит (б). I =50 кА. cathode В, Тл cathode Распределение магнитной индукции в анод-катодном зазоре (Elcut) electric resistance (ρ)

28 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). 40 мм×1 мм, ток 10 кА potential electrode (cathode) grounded electrode (anode) поперек А-К зазора B(t) = 0.014·I(t), Тл, при токе в кА.

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

30 Trajectory of electrons in anode-cathode gap at U = 250 kV Model of the motion of electrons in the anode-cathode gap of the ion diode with magnetic isolation is illustrated using the program Charged Particle Simulation, CST PARTICLE STUDIO (CST PS). I = 10 kA I = 20 kA

31 3. РЕЖИМ МАГНИТНОЙ САМОИЗОЛЯЦИИ U= kV grounded electrode (cathode) potential electrode (anode) Ion beam

32 (1)(1) 3.1. ЭФФЕКТ ПЛАЗМЕННОГО СЖАТИЯ

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

34 (1) (2)

35 (1) (2)

Осциллограммы напряжения (1), полного тока (2) и импеданса (3-эксперимент, 4 - расчет) диода с самоизоляцией на втором импульсе.

37 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 // Physics of Plasmas 17, (2010) Pushkarev A. I., Isakova J. I., Saltimakov M. S., Sazonov R.V. Research on the plasma dynamics in a magnetically self-insulated ion diode with explosive emission potential electrode // Natural Science, Vol.2, No.5, p (2010). Pushkarev A.I., Isakova Y.I. and Vahrushev D.V. Investigation of an ion current density enhancement effect in the diode with magnetic self-insulation // 16th International Symposium on High Current Electronics: Proceedings. Tomsk: Publishing House of the IOA SB RAS, pp Pushkarev A.I., Isakova Y.I. Plasma compression effect in an ion diode with passive anode // 3rd Euro-Asian Pulsed Power Conference/18th International Conference on High-Power Particle Beams. Abstract Book, October 10-14, 2010, Jeju, Korea, Korea Electrotrchnology Reseach institute, Korea A.I. Pushkarev and Y.I. Isakova. The Plasma Extinction in an Ion Diode with Passive Anode in Double-Pulse Mode // Proceeding of the 15 th Asian Conference on Electrical Discharge, November 7-11, Hian, China,