ИССЛЕДОВАНИЕ ИОННОГО ДИОДА С ВЗРЫВОЭМИССИОННЫМ КАТОДОМ. ЧАСТЬ 4 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 Rexp=Rcalc discrete emissive surface mode Rexp>Rcalc mode of magnetic self-isolation Rexp>Rcalc Denotation of the operating modes of the TEMP-4M

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

444 Основные расчетные соотношения электронный ток ионный ток

55

Схема движения электронов и ионов в диоде с магнитной самоизоляцией

ЭФФЕКТ УСИЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ИОННОГО ТОКА В ДИОДЕ С ПАССИВНЫМ АНОДОМ В РЕЖИМЕ МАГНИТНОЙ САМОИЗОЛЯЦИИ Введение 1.Экспериментальный стенд TEMP-4M 2.Основные расчетные соотношения 3.Исследование состава и плотности ионного тока 4.Расчет величины анод-катодного зазора 5.Механизм усиления плотности ионного тока Заключение

888 P. Dreike, C. Eichenberger, S. Humphries, and R. Sudan Production of intense proton fluxes in a magnetically insulated diode //Journal of Applied Physics, Vol. 47, No. 1, pp. 85. January 1976

99 Z. Werner, J. Piekoszewski, W. Szymczyk Generation of high-intensity pulsed ion and plasma beams for material processing // Vacuum 63, 701 (2001).

10 S. Humphries, Charged Particle Beams. Wiley, New York, 1990, 847 p.

11 Diode joint of accelerator TEMP-4M

Для анализа состава ионного пучка, формируемого диодом, использовали явление пространственного разделения разных ионов по пути движения от диода до регистрирующего устройства – КЦФ. При ускорении в анод-катодном зазоре диода ионы разной массы и степени ионизации приобретают разную скорость. При этом предполагали, что: -в диоде ионы разных типов формируются синхронно в течение импульса ускоряющего напряжения, - на пути дрейфа их скорость не меняется. Плотность ионов пучка, формируемого ускорителем ТЕМП-4М, менее см -2, поэтому вероятность их столкновения (и изменения скорости) в пространстве дрейфа низка. Для каждого момента времени генерации ионного пучка по величине напряжения, приложенному к диоду (шаг 0,4 нс), рассчитывали плотность тока определенного типа ионов и величину задержки прихода этих ионов в КЦФ. Расчетные кривые сопоставляли с экспериментальными данными. Исследование состава и плотности ионного тока

13 Oscilloscope traces of voltage and ion current density (dots) in the planar diode. The estimated current density of C + ions, when K = 7, and the estimated current density of protons, when K = 2. D=11 cm. Исакова Ю.И., Пушкарев А.И. Измерение состава и энергетического спектра импульсного ионного пучка времяпролетным методом высокого разрешения // Известия Томского политехнического университета. – 2010 – Т – 2, с. 76–79. D

Осциллограммы напряжения (1) и плотности ионного тока (2) в плоском диоде. Кривая 3 – расчетная плотность тока протонов, кривая 4 – расчетная плотность тока ионов С +. Расстояние до КЦФ 14 смРасстояние до КЦФ 17 см.

15 Dependence of amplification coefficient on delay in second pulse formation.

16 U= kV grounded electrode (cathode) potential electrode (anode) Ion beam + Возможная причина увеличения плотности ионного тока выше предела ЧЛ – сокращение А-К зазора взрывоэмиссионной плазмой ионный ток

17 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

18 В режиме ограничения тока объемным зарядом плотность тока однократно ионизованных ионов углерода С + составляет 0.7% плотности электронного тока. Оптимизация конструкции и режима работы ионного диода с магнитной самоизоляцией позволила увеличить эффективность генерации ионного тока в 10–12 раз. Но при этом ионная компонента тока не превышает 10% величины полного тока диода. Поэтому в пределах точности измерения ВАХ динамику взрывоэмиссионной плазмы в анод-катодном зазоре можно контролировать по соотношению Childe- Langmuir для электронной компоненты тока. Тогда импеданс диода равен: где S 0 - площадь потенциального электрода диода. 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 // Phys. of Plasmas 17, (2010). Анализ величины а-к зазора по электронному току

19 (1) (2)

20 Dependence of amplification coefficient on delay in second pulse formation. Анализ величины А-К зазора по ионному току

21 Механизм усиления плотности ионного тока

Схема движения электронов и ионов в диоде с магнитной самоизоляцией

23 Часть электронов дрейфует в анод-катодном зазоре в области объемного заряда ионов, обеспечивая дополнительную компенсацию и увеличение плотности ионного тока. S. Humphries, Charged Particle Beams. Wiley, New York, 1990, 847 p.

24 При коэффициенте усиления, равном 6-8, плотность ионного тока определяется степенью компенсации объемного заряда ионов потоком замагниченных электронов вдоль поверхности потенциального электрода. Режим ограничения объемным зарядом 1. Однополярный поток К = 1 2. Биполярный поток К = Внешнее магнитное поле К max = 2÷3 4. Магнитная самоизоляция К = 5÷10

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.

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

28 К 1 – превышение плотности ионного тока предела CL К 2 – подавление электронного тока К 3 – эффективность генерации МИП по отношению к CL Результаты анализа работы ионных диодов с магнитной самоизоляцией Эти результаты получены без подавления электронного тока собственным магнитным полем К 3 =К 1 ×К 2 УскорительионыI i /I e В кр, ТлВ min, ТлВ ак, ТлК1К1 K2K2 К3К3 MiteH+H+ 10% 0.27 – – ПАРУСH+H % 0.25 – ТОНУС, ВЕРА H+H % ETIGO-1H+H+ 29% ТЕМП-4М плоский диод С + (85%) 5-6%

29 Заключение 1.В диоде с магнитной самоизоляцией происходит дополнительная компенсация объемного заряда ионов замагниченными электронами. Степень компенсации достигает 70-80% и существенно снижает ограничение плотности ионного тока объемным зарядом. 2. Ионный диод с магнитной самоизоляцией является удобным инструментом для исследования процессов генерации мощных ионных пучков. Динамику взрывоэмиссионной плазмы можно контролировать по ВАХ диода, а процесс генерации ионов – по плотности ионного тока. В обоих независимых диагностиках используется измерение ВАХ, что обеспечивает очень высокое временное разрешение. 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)

30 Для определения наиболее важных факторов, влияющих на нестабильность генерации МИП в диоде с магнитной самоизоляцией, был выполнен анализ корреляции амплитуды импульса плотности ионного тока: - с амплитудой импульса ускоряющего напряжения, - с амплитудой полного тока в диоде, - с длительностью первого импульса - с амплитудой импульса плотности ионного тока в другой точке диода 5. Исследование корреляции плотности тока МИП

31 4. Схема измерения параметров МИП Схема измерения параметров МИП 1.Ускоряющее напряжение 2.Полный ток в диоде 3.Длительность первого импульса 4.Плотность ионного тока

32 Корреляционная зависимость между плотностью заряда МИП за импульс и амплитудой импульса плотности ионного тока. Выборка 50 импульсов Осциллограммы ускоряющего напряжения (1), полного тока в диоде (2) и плотности ионного тока с двухсекционного КЦФ (3). Расстояние до диода 10 см. Амплитуда импульса плотности тока МИП зависит от: 1.Состава МИП 2.Энергетического спектра МИП 3.Расстояния от диода до КЦФ

33 В серии экспериментов с плоским полосковым диодом после пропитки его рабочей поверхности вакуумным маслом удалось уменьшить нестабильность плотности тока МИП. На Рис. 4 и в таблице 3 приведены результаты обработки результатов измерений. Таблица 3. Стабильность работы ускорителя ТЕМП-4М при генерации МИП среднее СКО за 5 серий Напряжение. кВ6%6% Длительность первого импульса 10% Плотность тока МИП, А/см 2 27 %

34 Корреляционная зависимость между амплитудой импульса плотности ионного тока и амплитудой импульса ускоряющего напряжения. Выборка 110 импульсов. Кривая 1 – расчет по соотношению CL для ионов С+ при коэффициенте усиления 10. d 0 начальный А К зазор, ε 0 – абсолютная диэлектрическая проницаемость, v скорость расширения плазмы, m i – масса иона, z – заряд иона, t 0 – длительность первого импульса, К – коэффициент усиления.

35 Таблица 4. Корреляция плотности ионного тока с параметрами генератора наносекундных импульсов. ПараметрЗначение и СКО Коэффициент детерминации Коэффициент Пирсона Напряжение 262 кВ ± 4.5% Полный ток в диоде 61 кА ± 10% Длительность первого импульса 480 нс ± 11% Плотность тока МИП 30 A/см 2 ± 29%-- Выполненные исследования показали слабую корреляцию амплитуды импульса плотности тока МИП с выходными параметрами генератора наносекундных импульсов. Это указывает на то, что основной вклад в нестабильность генерации МИП вносят процессы в самом диоде. Результаты статистической обработки

36 Корреляция плотности ионного тока, формируемого одновременно в разных частях ионного диода. Корреляционная зависимость между амплитудами плотности ионного тока с двух КЦФ при расстоянии между ними 5 см (а) и 1 см (b). Расстояние между КЦФ Объем выборки Коэффициент детерминации Коэффициент Пирсона 8 см275 импульсов см100 импульсов см110 импульсов

37 6. Исследование стабильности генерации МИП в фокусирующем диоде Схема измерения и осциллограммы ускоряющего напряжения (1), полного тока в плоском диоде (2) и плотности ионного тока с двухсекционного КЦФ (3). Расстояние до КЦФ 15 см.

38 Изменение амплитуды импульса плотности ионного тока и гистограмма значений 5×50 импульсов. Корреляция плотности ионного тока с параметрами генератора наносекундных импульсов ПараметрЗначение и СКО Коэффициент регрессии Коэффициент Пирсона Напряжение264 кВ ± 3%0.10 – – 0.47 Полный ток в диоде53 кА ± 4% Длительность первого импульса 450 нс ± 7% Плотность тока МИП, КЦФ141 А/см 2 ± 19 %- Плотность тока МИП, КЦФ240 А/см 2 ± 18 %- Результаты статистической обработки

39 Dependence of amplification coefficient on delay in second pulse formation. Alexander I. Pushkarev, Yulia I. Isakova and Dmitry V. Vahrushev Physics of Plasmas 17, (2010) 7. Анализ источников нестабильности генерации МИП.

40 Заключение 1.Выполненные исследования показали слабую корреляцию амплитуды импульса плотности тока МИП с выходными параметрами генератора наносекундных импульсов. 2.Генерация ионного тока идет несинхронно по сечению пучка. Коэффициент детерминации для плотности тока МИП в точках, удаленных друг от друга вдоль поверхности диода на расстояние более 5 см не превышает Фокусировка ионного пучка позволяет увеличить стабильность плотности ионного тока в серии импульсов. Стандартная девиация амплитуды импульса плотности ионного тока снизилась до 18-20%. 4.Нестабильность плотности ионного тока в серии импульсов обусловлена случайным изменением плотности диффузионного потока электронов из области дрейфа.

41 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.

42 Ионный диод с внешней магнитной изоляцией ion diode Q d the Blumlein line Q 1 an additional energy source for the formation of the magnetic field Q 2 Для диодов с внешней магнитной изоляцией эффективность генерации МИП гигаватной мощности, равная 15-20%, является предельной.