научная статья по теме ЭФФЕКТ СТАБИЛИЗАЦИИ ЭНЕРГИИ ИОННОГО ПУЧКА, ФОРМИРУЕМОГО ДИОДОМ С МАГНИТНОЙ САМОИЗОЛЯЦИЕЙ Физика

Текст научной статьи на тему «ЭФФЕКТ СТАБИЛИЗАЦИИ ЭНЕРГИИ ИОННОГО ПУЧКА, ФОРМИРУЕМОГО ДИОДОМ С МАГНИТНОЙ САМОИЗОЛЯЦИЕЙ»

ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ^^^^^^^^^^ ТЕХНИКА

УДК 535.11+537.533.3+537.534.3

ЭФФЕКТ СТАБИЛИЗАЦИИ ЭНЕРГИИ ИОННОГО ПУЧКА, ФОРМИРУЕМОГО ДИОДОМ С МАГНИТНОЙ САМОИЗОЛЯЦИЕЙ

© 2015 г. А. И. Пушкарев, Ю. И. Исакова, И. П. Хайлов

Томский политехнический университет Россия, 634050, Томск, просп. Ленина, 30 E-mail: aipush@mail.ru Поступила в редакцию 16.12.2013 г.

После доработки 12.03.2014 г.

Представлены результаты исследования стабильности генерации импульсного ионного пучка, формируемого диодом со взрывоэмиссионным катодом в режиме магнитной самоизоляции. Исследования проведены на ускорителе ТЕМП-4М в режиме формирования биполярных импульсов: первый — отрицательный (300—500 нс, 100—150 кВ) и второй — положительный (150 нс, 200—250 кВ). Выполнены исследования диодов разной конструкции: полоскового фокусирующего, полоскового плоского и конусного фокусирующего диодов. Полную энергию пучка измеряли с помощью тепло-визионной диагностики и калориметра, а плотность энергии пучка — с использованием тепловизи-онной и акустической диагностик. Для повышения стабильности генерации ионного пучка изменена конструкция анода. Получено, что в серии импульсов стандартная девиация полной энергии и плотности энергии пучка не превышает 10—11% при нестабильности амплитуды импульса плотности ионного тока >20—30%. Представлен механизм стабилизации плотности энергии пучка в серии импульсов, связанный с перезарядкой ионов и формированием ускоренных нейтралов. Выполнен анализ источников флуктуаций полной энергии и плотности энергии ионного пучка. Большой ресурс работы ионных диодов с магнитной самоизоляцией и взрывоэмиссионным катодом (>106 импульсов), высокая стабильность генерации пучка в серии импульсов обусловливают перспективность их использования в различных технологиях.

DOI: 10.7868/S0032816215010085

ВВЕДЕНИЕ

Планарные диоды со взрывоэмиссионным катодом широко используются для генерации импульсных электронных и ионных пучков большой площади с плотностью энергии выше 0.5 Дж/см2. Наиболее важными параметрами генератора пучков заряженных частиц, определяющими возможность его технологического применения, являются ресурс непрерывной работы и стабильность параметров в серии импульсов. В наших работах [1, 2] представлен обзор стабильности плотности ионного тока в серии импульсов, выполненный для диодов разной конструкции.

Наиболее стабильный режим работы обеспечивает диод с внешней магнитной изоляцией [3, 4]. Отличительной особенностью диода является использование замкнутого катода, огибающего анод. Параметры пучка: энергия ионов 300—350 кэВ, длительность импульса на полувысоте 80 нс, плотность тока 100—300 А/см2. Авторами выделены две стадии изменения параметров ионного пучка. В течение первой стадии происходит спад амплитуды импульсов плотности ионного тока и ускоряющего напряжения при стандартном отклонении 15—20% в серии из 200 импульсов. На

второй стадии флуктуация плотности ионного тока возросла до 20—30%. Ресурс диода не превышает 1000 импульсов.

В нашей работе [2] представлены результаты исследования стабильности генерации ионного пучка гигаваттной мощности, формируемого диодом со взрывоэмиссионным катодом в режиме магнитной самоизоляции. Получено, что в серии импульсов стандартная девиация амплитуды импульса плотности ионного тока, формируемого плоским полосковым диодом, составляет 35—40% при нестабильности параметров генератора нано-секундных импульсов <10%. Фокусировка ионного пучка позволяет повысить стабильность плотности ионного тока в серии импульсов, стандартная девиация снизилось до 18—20%.

При плотности ионного тока 40—70 А/см2 и длительности импульса 100—150 нс плотность заряда за 1 импульс составляет 2—4 мкКл/см2. Это соответствует флюенсу ионов за один импульс (1.3—2.5) • 1013 см-2 при плотности энергии 3-5 Дж/см2. Пробег ионов углерода с энергией 200-300 кэВ в металлах не превышает 1 мкм, концентрация атомов углерода в приповерхностном слое <1017 см-3. Поэтому основным фактором,

U, кВ 300

200

100

100

—200

( пР' 2

'if f 1

i 1

\ 2 1 V 1 1 \

i I IT \ I

I, кА

60

40

20

0 100 200 300 400 500 600 700 t, нс

20

40

Рис. 1. Осциллограммы ускоряющего напряжения (1) и полного тока диода (2).

определяющим изменение свойств изделия, является тепловое воздействие, а не имплантация ионов.

Для контроля и оптимизации режима обработки изделий таким пучком важна, прежде всего, стабильность плотности энергии пучка в серии импульсов. В большинстве генераторов мощных ионных пучков (м.и.п.) используется ионный диод с внешней магнитной изоляцией с двумя соос-ными цилиндрическими катодами (barrel diode), между которыми формируется магнитное поле. В работе [5] приведены результаты исследования параметров м.и.п., формируемого таким диодом (400 кэВ, 30 кА, 0.5 мкс). Стандартная девиация sd плотности энергии м.и.п. в серии импульсов, рассчитанная по показаниям коллимированного цилиндра Фарадея с магнитной отсечкой и измеренная с использованием тепловизионной диагностики, составила 30—40%. Анализ выполнен по показаниям четырех коллимированных цилиндров Фарадея и по термограммам для серии из 9—11 импульсов.

В работе [3] показано, что флуктуация плотности ионного тока составляет 20—30% при нестабильности ускоряющего напряжения в серии импульсов 4—6%. Стандартная девиация плотности энергии м.и.п. при этом будет составлять 20—31%. В работе [4] приведены также результаты исследований стабильности генерации м.и.п. на ускорителе ETIGO-I (напряжение 1.1 МВ, ток диода 80 кА, плотность энергии 60—90 Дж/см2). Нестабильность плотности энергии м.и.п. составила в среднем 24% при ресурсе диодной системы <10 импульсов. Предварительные исследования полоскового фокусирующего диода со взрыво-эмиссионным катодом в режиме магнитной самоизоляции показали, что в серии из 50—100 им-

пульсов стандартная девиация плотности энергии пучка не превышает 10—11% [6].

Цель данной работы — анализ стабильности полной энергии и плотности энергии ионного пучка, формируемого диодами со взрывоэмисси-онным катодом разной конструкции, анализ основных источников их флуктуации в серии импульсов.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ СТЕНД

Исследования проведены на ускорителе ТЕМП-4М [1, 7] в режиме формирования двух импульсов: первый (плазмообразующий) — отрицательный (400-500 нс, 100-200 кВ) и второй (генерирующий) — положительный (150 нс, 200—250 кВ). Плотность энергии пучка 0.5—5 Дж/см2 (для разных диодов), частота следования импульсов 5—10 импульсов/мин.

Ток диодного узла измеряли поясом Роговско-го с обратным витком. Напряжение на потенциальном электроде диода контролировали высокочастотным высоковольтным делителем, установленным перед диодным узлом, и дифференциальным делителем напряжения [8]. Электрические сигналы с датчиков регистрировали осциллографом Tektronix 2024B (200 МГц, 5 • 109 отсчетов/с). Диагностику параметров пучка проводили по тепловизионной методике, адаптированной для двухимпульсного режима [9], с использованием тепловизора Fluke TiR10 (спектральный диапазон 7—14 мкм).

В качестве мишени использовали фольгу из нержавеющей стали толщиной 100 мкм. Конструкция диодного узла, расположение и калибровка диагностического оборудования ускорителя ТЕМП-4М подробно рассмотрены в работах [1, 10]. Характерные осциллограммы приведены на рис. 1.

Все исследованные конструкции диодов со взрывоэмиссионным катодом эффективно работали при давлении 0.1 Па с ресурсом более 106 импульсов. Частота генерации импульсов ограничивалась только тепловым режимом диода.

ПОЛОСКОВЫЙ ФОКУСИРУЮЩИЙ ДИОД

Основная часть исследований выполнена на полосковом фокусирующем диоде размером 22 х х 4.5 см с фокусным расстоянием 14 см. Зазор между потенциальным и заземленным электродами составлял 8—9 мм и был выбран из условия согласования импеданса диода с волновым сопротивлением двойной формирующей линии (4.9 Ом). Потенциальный электрод изготовлен из графита, заземленный электрод — из нержавеющей стали с прорезями 2х0.5 см, прозрачность 70%.

Электроды фокусирующего ионного диода имеют полуцилиндрическую конфигурацию, и

0

0

q, Дж/см2 6г

1

*

s

V

\

/

/

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60

х, мм

Рис. 2. Фотография фокусирующего диода с экраном (слева) и распределение плотности энергии пучка по сечению (справа): 1 — в фокусной плоскости в вертикальном и горизонтальном сечениях; 2 - исходный фон мишени.

J, А/см2

60 50 40 30 20 10

(а)

q, Дж/см2 4

3 -

2 -

0 500 1000 1500 2000 ?, с 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 ?, с

Рис. 3. Изменение амплитуды импульса плотности ионного тока (а) и максимальной плотности энергии (б) в серии импульсов с интервалом 120 с.

2

1

геометрическая фокусировка происходит только в вертикальном сечении пучка. Для улучшения фокусировки пучка на заземленный электрод диода установлен сплошной экран, выполненный из нержавеющей стали толщиной 1 мм [11]. На рис. 2 приведена фотография полоскового фокусирующего диода и показано характерное распределение плотности энергии пучка в поперечном сечении.

Результаты анализа стабильности выходных параметров ускорителя ТЕМП-4М при работе с интервалом 120 с приведены на рис. 3 и в табл. 1 и 2.

Стандартная девиация плотности ионного тока в фокусирующем диоде в двухимпульсном режиме составляет 20—30% в серии импульсов при нестабильности параметров ускорителя ТЕМП-4M не более 10%. Однако стабильность плотности энергии, измеренная с помощью тепловизи-

онной диагностики, в серии импульсов оказалась значительно выше. Возможной причиной этого является испарение материала мишени. Тем не менее, снижение полной энергии и максимальной плотности энергии пучка не увеличило стандартную девиацию (см. табл. 2, серии № 3 и № 4).

Таблица 1. Стабильность работы ускорителя ТЕМП-4М

Параметр Среднее значение в серии ±sd

Амплитуда:

- первого импульса напряжения -213кВ±2%

- второго импульса напряжения 235 кВ ± 5%

- импульса полного тока в диоде 56 кА ± 11%

- импульса плотности ионного 39 А/см2 ± 29%

тока

Таблица 2. Стабильность работы ускорителя ТЕМП-4М в серии импульсов

Номер

Среднее значение в серии

с

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком