Моделирование мощных 100-мкс электронных пучков на основе плазменного эмиттера для многопробочной ловушки ГОЛ-3 В.Астрелин, А.Бурдаков, Г.Деревянкин, В.Иванов, И.Кандауров, С.Синицкий, Ю.Трунев ИЯФ СО РАН, Новосибирск, Россия НГУ, Новосибирск, Россия ФермиЛаб, Батавия, Иллинойс, США Семинар плазменных лабораторий, 18 марта 2008 г 1 (По мотивам доклада в Снежинске (ЗНЧ-2007), сентябрь 2007) Поддержка грантом РФФИ

План доклада 1.Параметры ГОЛ-3, пути их повышения; 2.Характеристики пакета программ POISSON-2; 3.Алгоритмы решения задач с плазменными границами; 4.Эксперименты и моделирование формирования одноапертурного электронного пучка на 30 кВ-стенде; 5.Моделирование 1 кА, 150 кВ электронного пучка; 6.Магнетронный диод на 10 кА, 200 кВ: 2 Семинар плазменных лабораторий, 18 марта 2008 г

ГОЛ-3, 2007 г. 3 Семинар плазменных лабораторий, 18 марта 2008 г

Параметры эксперимента на ГОЛ-3 Электронный пучок: 4 Семинар плазменных лабораторий, 18 марта 2008 г Плазма: Магнитное поле: (гофрированное) 0.15 Тл – на катоде 4.8/3.2 Т – в соленоиде 6 Тл и 9 Тл – в торцевых пробках eU ~ 0.8 МэВ, I b ~ кА, b ~ 8-13 мкс, Q ~ 120 кДж j e ~ 60 А/см 2 на катоде (0.15 Тл), j e ~ 2 кА/см 2 в соленоиде (5 Тл) L ~ 12 м, n ~ см -3, T e,i ~ 1-3 кэВ, ~ мс, n T ~ кэВсексм -3 Для повышения параметров плазмы требуется 100-микросекундный (и более) пучок с высокой плотностью тока, малой угловой расходимостью в магнитном поле диода

Параметры "длинноимпульсного" пучка 1.Магнитное поле на катоде: B кат ~ 0.1 Тл (для ослабления мощности теплового потока из ГОЛ-3) 2.Угловая расходимость скоростей электронов: < 1 рад в пробках, < 0.2 рад в ловушке, < 0.03 в диоде 3.Плотность тока: j e ~ 2 кА/см 2 в ловушке, j e ~ А/см 2 в диоде 4.Тип катода: плазмоэмиссионный 5.Ток пучка: 1 кА – проверка эффекта подавления теплопроводности (20см 2 ); 10 кА – площадь катода 200 см 2 6.Энергия электронов: 100 – 200 кэВ 7.Длительность пучка: b ~ мс (от ГОЛ-3 до реактора) 5 Семинар плазменных лабораторий, 18 марта 2008 г

Пакет прикладных программ POISSON-2 6 Семинар плазменных лабораторий, 18 марта 2008 г Численными методами решается двумерная (плоский и осесимметричный случаи) стационарная задача моделирования эмиссии и транспортировки пучков заряженных частиц (электроны + любые типы ионов) в системах с произвольной геометрией электродов и диэлектриков с учетом внешних и собственных электрических и магнитных полей.

Задача о нахождении формы плазменной границы 7 Семинар плазменных лабораторий, 18 марта 2008 г Граница плазмы –"прозрачная" для частиц поверхность с заданным на ней потенциалом. Плазма - область с Е=0 и с магнитными полями в ней. Катод кат ) плазма Анод = ан ) плазма, E = 0, B(R) Форма границы подбирается из условия неразрывности потоков эмиссии на границах div j = 0, - сорт частиц j 0e (R) = j e (E=0) для электронов j 0i (R) = j i (E=0) для ионов Эта модель предполагает малость дебаевской длины в плазме по сравнению с характерными размерами диода Такая постановка подразумевает дополнительную информацию, связанную со способом создания плазмы и, как следствие, с распределением токов j 0 (R) по сечению, распределением эмитируемых частиц по энергиям и углам.

POISSON-2 – алгоритмы для нахождения формы плазменной границы 8 Семинар плазменных лабораторий, 18 марта 2008 г z = - z(j 3/2 -j 0 (R))/j 0 (R) – вклад в смещение точек сплайна, задаваемый каждой траекторией, инжектированной между ними. Точки сдвигаются по "правилу рычага". j 3/2 = A ( 0 ) 3/2 /d 2 B(t), B(t) = 2.25 [arcsin(t 1/2 )-(t(1-t)) 1/2 ]/ t 3, t = 0.5( – )/ – учет зарядового "фона" и начальной энергии 0 Дополнительная корректировка тока для выполнения условия Е = 0 на эмиттере j = j(Ed/ ) 2, где – потенциал в точке d около катода, Е – поле на катоде Граница плазмы – эквипотенциальная поверхность, задаваемая по точкам и восстанавливаемая между ними кубическим сплайном. z i = (z i-1 + z i+1 ) + (1-2 )z i – сглаживание сплайна по трем точкам. Вклад соседних точек берется с весом

Почему не PBGUNS или др.? 9 Семинар плазменных лабораторий, 18 марта 2008 г а) необходимость учитывать несколько плазменных границ, в том числе эмитирующих разные типы частиц, в том числе одновременно с обычными эмиттерами; б) необходимость одновременного учета потоков нескольких сортов частиц; в) необходимость расчетов во внешних и собственных магнитных полях; г) возможность оперативной модификации кода для учета новых эффектов;

Сравнение результатов расчетов-1 10 Семинар плазменных лабораторий, 18 марта 2008 г U = 27 кВ; электроны, 50 А/см 2, 6А

Сравнение результатов расчетов-2 11 Семинар плазменных лабораторий, 18 марта 2008 г U = 40; -1 и 0 кВ; Н +, 0.35 А/см 2, 0.01 А

Экспериментальное исследование диода с плазменным эмиттером (стенд И.Кандаурова) 1212 Семинар плазменных лабораторий, 18 марта 2008 г Экспериментальное исследование диода с плазменным эмиттером Анод дуги Катод Анод (заземлен) (U кат до - 30 кВ) (I < 600 A) ~ 250 мкс

Экспериментальное исследование диода с плазменным эмиттером I, A I дуги ~ const, B = 0 beam (10кВ) < 50 мкс 13 Семинар плазменных лабораторий, 18 марта 2008 г

Численное моделирование диода с плазменными эмиттерами U = 10 кВ j e = 42.5 A/cм 2 j i = 0.50 A/cм 2 14 Семинар плазменных лабораторий, 18 марта 2008 г

Численное моделирование диода с плазменными эмиттерами j e = 42.5 A/cм 2 j i = 0.75 A/cм 2 15 Семинар плазменных лабораторий, 18 марта 2008 г

Численное моделирование диода с плазменными эмиттерами j e = 42.5 A/cм 2 j i = 1.00 A/cм 2 16 Семинар плазменных лабораторий, 18 марта 2008 г

Численное моделирование диода с плазменными эмиттерами j e = 42.5 A/cм 2 j i = 2.00 A/cм 2 17 Семинар плазменных лабораторий, 18 марта 2008 г

Численное моделирование диода с плазменными эмиттерами КатодАнод U ан = 10 кВ, j e = 42.5 A/cм 2 (так что I e max ~ 3 A), j i ~ 0.75 A/cм 2 (узкая область, где I анод = 0) - Почему в эксперименте реализуется именно такая плотность ионного тока? - Автоподстройка за счет плазмы с поверхности анода? Для j e > 42.5 A/cм 2 токи на электроды есть всегда ! Условие для возможности автоподстройки: j e (электрон.диод)

Моделирование диода с плазменными эмиттерами ( U a = 150 кВ, B = 0.1 Тл) 19 Семинар плазменных лабораторий, 18 марта 2008 г B = 0.1 T, I e = 1.5 кА, j e ~ 40 A/cм 2, < 0.04 рад, j i = 0.9 A/см 2 (Н + ) B = 5 T, j e ~ 1.5 kA/cм 2, < 0.3 рад (~10 13 см -3, 10 эВ)

Магнетронный диод (U ~ 200 кВ, I b ~ 10 кА) B = 0.15 T, I e ~ 9 кА, j e ~ 9 A/cм 2, ~ 0.05 рад B = 5 T, j e ~ 1.5 kA/cm 2, ~ 0.3 rad 2020 Семинар плазменных лабораторий, 18 марта 2008 г Magn-3

Итоги 1.Для увеличения и поддержания параметров плазмы в ГОЛ-3 требуется создать дополнительный длинноимпульсный электронный пучок ( b > 100 мс, I b до 10 кА, U b ~ 150 кВ, j b ~ 1-2 кА/см 2 и < 0.3 в магнитном поле B ~ 5T); 2.Формирование такого пучка производится в диоде с плазменными эмиссионными поверхностями (внутрикатодная дуговая плазма и анодная плазма остаточного газа и с поверхностей электродов); 3.Для расчетов таких диодов подготовлен ППП POISSON-2; 4.Проведено сравнение кодов POISSON-2 и PBGUNS; 5.Проведен численный анализ результатов эксперимента на стенде 250- микросекундного пучка. Получены полезные выводы об автоподстройке режима работы диода за счет плазмы с анодной поверхности; 6.Проведено моделирование 1-кА, 150 кВ многощелевого диода в магнитном поле ~ 0.1 Т с получением удовлетворительного пучка; 7.Проведены предварительные расчеты магнетронного диода для генерации пучка 10 кА, 200 кВ Семинар плазменных лабораторий, 18 марта 2008 г

ГОЛ-3, 2007 г. Семинар плазменных лабораторий, 18 марта 2008 г Спасибо за внимание!