1 ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛАНАРНОГО ДИОДА С ВЗРЫВОЭМИССИОННЫМ КАТОДОМ

2 1.Пояс Роговского Величина постоянной времени пояса Роговского значительно больше длительности регистрируемого импульса тока (100 нс), что обеспечивает работу ПР в режиме трансформатора тока без искажения формы импульса тока в нагрузке. Используемое диагностическое оборудование 2. Емкостной делитель Делитель имеет емкость 22 нФ, постоянная времени равна 1100 нс, что обеспечивает снижение напряжения за длительность импульса на величину не более 7 %. 3. Цилиндр Фарадея Rш = 0,0485 Ом 4. Калориметр

3 Диодный узел импульсного электронного ускорителя: 1 – катод 2 – анод 7 – пояс Роговского 8 – емкостной делитель

4 4 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

5 5 Calculation of impedance from oscillograms of voltage and current Equivalent circuit of diode unit of pulsed electron accelerator R = 43.5 Ohm.

6 Calculation of diode perveance where r 0 is initial radius of the cathode, v 1, v 2 are speeds of cathode plasma expansion to anode and crosswise to anode-cathode gap, F – form-factor determined by the diode construction. 1.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. 2. For the diode with explosive emission cathode

7 Расчет первеанса планарного диода По соотношению Чайльд-Ленгмюра электронный ток, ограниченный объемным зарядом электронов в анод-катодном промежутке диода, равен: где А = АВ -3/2, U- напряжение на диоде, В, S – площадь катода, d 0 - анод-катодный зазор. Первеанс диода с учетом сокращения анод-катодного зазора и увеличения эмиссионной поверхности

8

9 A Planar Diode Operating in the Mode of Limited Electron Emission A.I. Pushkarev, R.V. Sazonov, A.Ju.Patronov High Voltage Research Institute of Tomsk Polytechnic University, Tomsk, Russia,

10 DISCRETE EMISSIVE SURFACE MODE grounded electrode (anode) potential electrode (cathode) Discrete explosion-emissive center U= kV

11 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

12 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(-)

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

14 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. where N - total number of emitting centers, α = 2arcos(b/v·t), (in radians), b is the distance between the adjacent emitting centers

15 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

16

17 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).

18 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.

19 ДИНАМИКА СКОРОСТИ КАТОДНОЙ ПЛАЗМЫ В ПЛАНАРНОМ ДИОДЕ С 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 Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант

20 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

21 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: 105, 110, 125 и 175 кВ.

22 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.

23 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.

24 R. K. Parker, Richard E. Anderson, and Charles V. Duncan PLASMA-INDUCED FIELD EMISSION AND THE CHARACTERISTICS OF HIGH-CURRENT RELATIVISTIC 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

25 Абрамян Е. А., Альтеркоп Б. А., Кулешов Г. Д. Интенсивные электронные пучки. Физика. Техника. Применение. М.: Энергоатомиздат с. 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

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

27 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(-)

28 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

29 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).

30 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

31 Определение режима работы диода и скорости плазмы 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:

32 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).

33 Исследование диода с катодом из углеродной ткани 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.

34 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

35 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.

36 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.