ИССЛЕДОВАНИЕ ИОННОГО ДИОДА СО ВЗРЫВОЭМИССИОННЫМ КАТОДОМ. Часть 3. 1.INTRODUCTION 2.EXPERIMENTAL INSTALLATION 3.BASIC CALCULATION EQUATIONS 4.MODE OF MAGNETIC SELF-ISOLATION 5.CONCLUSION

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

33 Режим магнитной самоизоляции U= kV grounded electrode (cathode) potential electrode (anode) Ion beam +

4 2. Исследование механизма подавления электронного тока в ионном диоде с магнитной самоизоляцией Введение 1. Анализ изменения условий магнитной изоляции по длине диода 2. Расчет скорости дрейфа электронов. 3. Новый механизм подавления электронного тока. 4. Исследование кольцевого диода с магнитной самоизоляцией Заключение

Схема движения электронов и ионов в диоде с магнитной самоизоляцией

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

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

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 В min, необходимую для реализации эффекта подавления электронного тока собственным магнитным полем. Cреднее время дрейфа электронов: Продолжительность ускорения ионов: При В = В min τ e = τ ion Тогда

Схема диодного узла: 1 – анод; 2 – траектория иона; 3 – траектория электрона; 4 – катод; 5 – углеродная решётка Vandevender J.P., Quintenz J.P., Leeper R.J., Johnson D.J., Crow J.T. Self-magnetically insulated ion diode // J. Appl. Phys. – – 52/1. – Р. 4–12. Распределение магнитной индукции поперек А- К зазора на внутреннем радиусе диода (1) и на внешнем радиусе (2). B кр = Тл В min = 4 Tл (τ e = τ ion )

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 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. – – Vol. 9. – 3. – P. 691–698.

Распределение магнитной индукции поперек А-К зазора на внутреннем радиусе диода (1) и на внешнем радиусе (2). B кр = Тл В min = 1.8 Tл (τ e = τ ion ) τ e τ ion

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 Быстрицкий В.М., Диденко А.Н., Красик Я.Е., Матвиенко В.М. Генерация мощного ленточного ионного пучка в диоде с самоизоляцией // Физика плазмы. – – Т. 11. – 9. – С. 1057–1061.

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. B кр = 0.19 Тл В min = 0.23 Tл τ e τ ion

14 Типичные кривые напряжения на диоде (1), тока диода (2) и плотности ионного тока (3) 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

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. B кр = 0.25 Тл В min = 1.75 Tл τ e τ ion

Ускоритель ионы В кр, ТлВ min, ТлВ АК, ТлI i /I e ЧЛК1К1K2 Mite протоны 0.27– – 7.510%2.3%4.3- ПАРУС0.25– %2.3% ТОНУС, ВЕРА %4.6% ETIGO %2.3% ТЕМП-4М Плоский полосковый диод С + (85%) и протоны %0.7% ТЕМП-4М Фокусирующий полосковый диод %0.7% ТЕМП-4М Кольцевой диод %0.7%-4-5 ТЕМП-4М Спиральный диод %0.7% ТЕМП-4М Диод с замкнутым дрейфом %0.7% В кр – критическая магнитная индукция В min - магнитная индукция в А-К зазоре, при которой время дрейфа электронов равно времени ускорения ионов В АК - 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 Режим работы ионных диодов с магнитной самоизоляцией разной конструкции

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

18 Основные расчетные соотношения электронный ток ионный ток

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

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

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

22 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)

24 Отношение магнитной индукции в а-к зазоре к критической магнитной индукции (2) Это справедливо при условии: 1.Однородная генерация электронов по длине диода. 2.Незначительное падение напряжения на индуктивности заземленного электрода. 3.Электроны в области дрейфа не дают вклад в магнитное поле в А-К зазоре Незамагниченная площадь в плоском диоде не превышает 25%.

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

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

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

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). 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.

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·mm 2 /м), l- длина электрода, h - ширина заземленного электрода, t s - 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 Анализ неоднородности электрического поля в анод-катодном зазоре за счет падения напряжения на заземленном электроде

30 Для прямолинейного проводника на высокой частоте индуктивность можно рассчитать по соотношению: где μ 0 – магнитная постоянная; l – длина проводника, м; d – диаметр проводника, м. Изменение индуктивности заземленного электрода по его длине U инд = L·dI/dt Осциллограммы напряжения на потенциальном электроде U, полного тока диода I пр, падение напряжения на заземленном электроде U инд и напряжение в анод-катодном зазоре U ак на 15 см от точки заземления

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

32 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 U в кВ, d и Δ в мм. 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:

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 Ионы в А-К зазоре под действием электрического поля движутся с постоянным ускорением. Их скорость при этом равна: v(t) = v 0 +at где а – ускорение в электрическом поле. При v 0 = 0 скорость ионов после прохождения зазора равна v max = aτ ion, где τ ion – 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: Расчет времени ускорения ионов

36 При условии равноускоренного движения ионов в анод-катодном зазоре продолжительность их ускорения (с учетом сокращения анод-катодного зазора и эффекта плазменного размыкания) равна: v max – 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 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. Исследование работы диода в одноимпульсном режиме

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

42 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). Изменение концентрации электронов в области пространственного заряда. Зазор 8 мм. Область дрейфа

Схема движения электронов и ионов в диоде с магнитной самоизоляцией

44 Изменение концентрации электронов в области дрейфа. Изменение концентрации электронов в области пространственного заряда. Зазор 8 мм. концентрацию дрейфующих электронов n др (t) можно рассчитать из соотношения: 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 Plasmas 17, (2010)

47 Q эксп = Q расч = 7±0.3 мКл Для дополнительного подтверждения полученных результатов были выполнены исследования кольцевого диода.

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

49 I расч /I эксп =6 Q эксп = 4.6 мКл Q расч = 22 мКл 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.

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

51 Площадь области диода, с которой происходит эмиссия электронов (критическая площадь), можно рассчитать как отношение общего тока к плотности электронного тока при его ограничении объемным зарядом. Изменение ускоряющего напряжения, второй импульс (1), площади эмиссионной поверхности электрода плоского полоскового (2) и кольцевого (3) диода

52 1. В диоде с магнитной самоизоляцией происходит эффективное плазмообразование на всей поверхности взрывоэмиссионного потенциального электрода с площадью до 270 см Условие магнитной изоляции В > В кр выполняется по всей длине диода ( см). 3. Причина низкой эффективности подавления электронной компоненты в диоде с магнитной самоизоляцией - высокая скорость дрейфа замагниченных электронов, превышающая 3 см/нс. 4. Подавление электронной компоненты полного тока обусловлено образованием виртуального катода электронами, дрейфующими вблизи поверхности заземленного электрода в течение генерации МИП. Заключение