Исследование баланса энергии в ионном ускорителе ТЕМП-4М Магистрант 1-го года обучения Хайлов И. П. Научный руководитель: Пушкарёв А. И. Национальный исследовательский Томский политехнический университет ИФВТ Кафедра техники и электрофизики высоких напряжений

Радиационно-пучковое модифицирование мощными ионными пучками позволяет получать в поверхностных слоях материалов составы и структуры, недоступные ни одному из традиционных металлургических способов. Для повышения эффективности генерации мощного ионного пучка необходимо увеличить эффективность передачи энергии в самой установке. С этой целью были проведены исследования баланса энергии и расчет передачи энергии в узлах ускорителя ТЕМП-4М при работе ускорителя в одно- и двух-импульсном режимах.

Экспериментальный стенд ТЕМП-4М Параметры ускорителя ТЕМП-4M: ускоряющее напряжение 250 – 300 кВ; длительность импульса 150 нс; плотность ионного тока на мишени 25 – 150 А/см 2 ; частота импульсов 6 имп./мин. Beam composition: ions of carbon (C + ) and protons

Схема ускорителя: 1, 4 – газовые разрядники; 2, 5 – делители напряжения; 3 – ДФЛ; 6 – пояс Роговского; 7 – магнитоизолированный диод; 8 – акуумная камера; 9 – мишенный узел; 10 – вакуумная система; 11- генератор импульсных напряжений (ГИН); 12 – система газоподачи и водоподготовки

Функциональная схема ускорителя: 1 – генератор импульсного напряжения; 2 – двойная формирующая линия, 3 - диодная камера, 4 – нагрузка. Калибровка диагностического оборудования на согласованную нагрузку

Осциллограммы сигналов с поясов Роговского на выходе ДФЛ и с шунта. Активная нагрузка R=5.2 Ом, L=240 нГн

Калибровка диагностического оборудования на согласованную нагрузку Экспериментальные значения напряжения и тока на выходе ДФЛ и расчетные значения напряжения. Одноимпульсный и двухимпульсный режим Напряжение, прикладываемое к диоду рассчитывали по формуле:

Измерение эффективности передачи энергии из ДФЛ в нагрузку: 1. Двухимпульсный режим с зарядной индуктивностью при работе на согласованную нагрузку (ТЕМП-2) 2. Двухимпульсный режим без зарядной индуктивности при работе на согласованную нагрузку (ТЕМП-4М)

3. Одноимпульсный режим с зарядной индуктивностью при работе на согласованную нагрузку (ТЕМП-2) 4. Двухимпульсный режим без зарядной индуктивности при работе на диод (ТЕМП-4М)

Баланс энергии при генерации МИП Эффективность работы ДФЛ (без зарядной индуктивности) при генерации МИП

Зависимость энергии МИП от энергии, подводимой к диоду в течение генерации ионного пучка (точки). Кривая 1 – эффективность генерации 5.4%, кривая 3 – предельная эффективность генерации ионов С + в режиме ограничения объемным зарядом (0.7%).

1. Выполненные исследования баланса энергии в генераторе импульсных ионных пучков гигаватной мощности ТЕМП-4М показали, что работа без зарядной индуктивности позволяет увеличить эффективность передачи энергии в нагрузку в 1.5 раза. 2. Потери энергии в разрядниках и в ДФЛ за счет проводимости диэлектрика достигают 25%. 3. Потери энергии в зарядной индуктивности составляют 10%. 4. Низкая эффективность генерации МИП в основном определяется диодом.

Спасибо за внимание.

Калибровка диагностического оборудования на согласованную нагрузку Осциллограммы напряжения и тока на выходе ГИНа и расчетные значения напряжения. Одноимпульсный и двухимпульсный режим. Зарядное напряжение ДФЛ рассчитывали по формуле:

Баланс энергии ускорителя при работе на согласованную нагрузку Эффективность работы ДФЛ. Сводные данные для трех режимов работы на согласованную нагрузку