ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2007, № 2, с. 107-111
ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА
УДК 621.384.6:539.12.04
ИМПУЛЬСНАЯ СИСТЕМА ПИТАНИЯ КАТУШЕК МАГНИТНОГО ПОЛЯ ИОННОГО ДИОДА
© 2007 г. В. А. Макеев, А. В. Степанов, Э. Г. Фурман
НИИ высоких напряжений при Томском политехническом университете Россия, 634050, Томск, просп. Ленина, 2а E-mail: stepanov@hvd.tpu.ru Поступила в редакцию 14.06.2006 г.
Описана импульсная система питания катушек магнитного поля ионного диода с внешней магнитной изоляцией (и.д.м.), обеспечивающая работу диода в частотном режиме. Сформулированы требования: к магнитному полю и.д.м., в котором формируется электронное облако, выполняющее роль катода в диоде; к условиям накопления отрицательного заряда в области магнитного поля для нейтрализации ионного пучка в области дрейфа ионного пучка. Приведены основные расчетные соотношения, необходимые для инженерного расчета катушек и.д.м. и импульсной системы питания в частотном режиме.
PACS: 07.55.Db, 07.77.ka
Мощные ионные пучки широко используются для модификации поверхности, получения тонких пленок из абляционной плазмы, но особое внимание к ним уделяется в связи с практической реализацией термоядерного синтеза. Для этого требуются ионные пучки высокой плотности, причем в частотном режиме. В [1, 2] рассмотрены ионные диоды с внешней магнитной изоляцией (и.д.м.), в которых отсутствуют системы предварительной наработки плазмы в ускоряющем промежутке (и.д.м. с пассивным анодом), и этим они выгодно отличаются от других. В [2] описан и.д.м., в котором реализован близкий к холостому ходу режим, что позволило обеспечить частотный режим работы с к.п.д. >60 % при преобразовании электрической энергии формирующих линий в кинетическую энергию ионного пучка.
Механизм работы ионного диода основан на создании электронного облака (э.о.), выполняющего роль катода в диоде. Накопление заряда в
з.о. происходит в скрещенных электрическом и магнитном полях. Накапливаемые носители заряда совершают замкнутое азимутальное дрейфовое движение по циклоиде у поверхности анода, которое обеспечивается радиально сходящимися линиями магнитной индукции двух обмоток, при незначительном радиальном дрейфе по радиусу вдоль поверхности анода [2]. Траектории электронов в радиальном направлении представляют медленно сворачивающиеся спирали.
На рис. 1 приведена функциональная схема
и.д.м., имеющая круговую симметрию относительно оси X. Здесь приведен конусный вариант конструкции диода с баллистической фокусировкой ионного пучка. Диод имеет кольцевые кону-
сообразные катоды 1, 2 с радиусами = 98 мм и Я2 = 80 мм, выполненные из нержавеющей стали толщиной 0.8 мм. Катоды 1, 2 и каркасы катушек 3,4 крепятся на диске 5. Анод А и опорный диск 5 выполнены из хорошо проводящего материала (алюминия) с целью демпфирования импульсного магнитного поля и его повышения в области ускоряющего промежутка. Ускоряющий промежуток создается положительным зарядом на поверхности анода и э.о., возникающим за счет электронов, инжектируемых с кромки катода 1 на фронте tф импульса напряжения ЩГ) сильноточного ускорителя [3]. Катоды 1, 2 продолжены электродами 7, далее установлена нейтрализующая сетка 8 в области, где магнитное поле катушек практически равно нулю. Принцип работы и результаты экспериментального исследования подобного диода подробно рассмотрены в [2]. Ниже приводятся основные энергетические соотношения, необходимые для инженерного расчета и.д.м.
Для создания э.о. с требуемым азимутальным и радиальным дрейфовым движением заряда к конфигурации силовых линий магнитного поля относительно кромок катодов 1, 2 и поверхности анода А предъявляются следующие требования.
1. Индукция магнитного поля в ускоряющем промежутке "поверхность анода-э.о." должна иметь минимальное значение в области эмиссионной кромки катода 1 (в области Ах)
B ■ >
Т3 E
(1)
Ь
Рис. 1. Функциональная схема и.д.м. 1,2 - конусообразные катоды; 3,4 - катушки магнитного поля; 5 - диск; 6 - коллектор электронного пучка; 7 - электроды; 8 - нейтрализующая сетка; (1, - расстояние анод-катод 1 и анод-катод 2, соответственно.
где Е - среднее значение напряженности электрического поля в ускоряющем зазоре Е = и/ё1, с -скорость света.
2. Линия ветвления В магнитного поля, где В тождественно равно нулю, должна находиться на образующей поверхности симметрии (ось X') ионного пучка, рис. 1.
Для этого требуется выполнение соотношения
Я3 Ж3 = Я4 Ж4,
(2)
В1( Я )>
Вт
Я 1п (Я1/ Я2)
при Я1 > Я > Я2,
(3)
где Я - текущий радиус, Я1 и Я2 - радиусы установки инжекционных кромок внешнего и внутреннего катодов.
То есть индукция магнитного поля В1(Я) с уменьшением радиуса должна возрастать быстрее, чем функция 1/Я. В этом случае наряду с азимутальным дрейфом электронов по циклоиде у поверхности анода в скрещенных электрическом и магнитном полях (Е ± В) с дрейфовой скоростью V = Е/В обеспечивается дополнительно радиальный дрейф электронов к оси X со скоростью
где Яi, Wi - радиус центральной линии ампервит-ков и числа витков обмоток 3 и 4 соответственно.
При выполнении условия (2) векторный магнитный потенциал обмоток относительно оси X равен по абсолютной величине, а в точке В обеспечивается условие В = 0.
3. Распределение плотности силовых линий магнитного поля относительно поверхности анода и кромки катода 1 следующее:
V ( Я ):
Vre А В ВЯ '
(4)
где ге - ларморов радиус электрона, АВ - изменение индукции по радиусу на расстоянии 2ге.
Траектории электронов с кромки катода 1 имеют вид медленно сворачивающихся спиралей, которые заканчиваются на коллекторе 6 (рис. 1). Именно эти электроны за время фронта импульса ускоряющего напряжения должны обеспечить поверхностную плотность заряда электронного облака, образующего катодную поверхность в диоде, для ускорения ионов пучка с анода.
Рис. 2. Принципиальная электрическая схема источника питания катушек магнитного поля (а) и эпюры токов и напряжения (б). Ки^КО^ - В10-13 кл, по 4 шт. последовательно в каждой ветви моста, УП5 - КЦ201Е (2 шт. параллельно), УО6-УО8 - 0НС233-200-12 кл., УО9 - Д133-500-24 кл. (2 шт. последовательно), УБ1, УБ2 - ТБИ253-1000-22 кл.; Ь1 -зарядный дроссель, 140 витков алюминиевой шинки Б = 12 мм2, ¿2 - рекуперационный дроссель, 80 витков алюминиевой шинки Б = 12 мм2, ¿3, ¿4 - катушки ионного диода (¿3 - 10 витков, ¿4 = 24 витка проводом РКГМ-2.5 мм2), Ьр -дроссель высоковольтный 0.4 Гн; С - К41-И7-5кВ-100 мкФ (2 шт. параллельно), Ср - К41-И7-5кВ-100 мкФ; ^ -ТВО-5-3 МОм, Я2 - ТВ0-1-10 кОм, Я3 - ТВ0-60-47 Ом, Я4 - ТВ0-10-0.43 Ом (10 шт. ТВО-1-4.3 Ом параллельно); Тр1 — высоковольтный трансформатор.
4. Кромка катода 2 должна отстоять от поверхности анода на расстоянии Л2 > и напряженность магнитного поля в области АЛ должна спадать медленнее, чем функция 1/Л, т.е. знак неравенства в (3) для Б2(К) должен быть противоположным. В этом случае за время фронта импульса ускоряющего напряжения в область линии ветвления магнитного поля должен поступить отрицательный заряд Q, необходимый для компенсации объемного заряда ионного пучка, инжектируемого с анода. При этом должно выполняться условие
б/ЛУ = ео Жлх ь, (5)
где , У - плотность тока и скорость ионов пучка; £0 = 8.85 • 10-12 Ф/м; Ь - длина магнитного дрейфа, 2 - импеданс диода согласно закону 3/2.
Для протонов закон 3/2 при кольцевом пучке имеет вид
т л го 1(1-2п( - )т т3/2 ,
1р, кА = 5.3 • 10 -— и , (6)
(Л1- ге)
где V в [мВ].
По окончании формирования э.о. за счет ин-жекции электронов с катода 1 инжекция электронов с катода 2 практически прекращается, так как кромка катода 2 оказывается экранированной зарядом электронного облака - катода. Но за время фронта импульса в область Ь должен поступить необходимый заряд В противном случае для компенсации объемного заряда ионов пучка потребуется потеря легких ионов пучка на поверхности катодов 1, 2 для создания абляционной плазмы, вытягивания из нее электронов для компенсации заряда ионного пучка. Этот процесс значительно снижает к.п.д. ионного диода.
5. Величину энергии магнитного поля в первом приближении можно оценить как
= пВтт1^К1Лт, (7)
где Ж - суммарное число витков в катушках 3, 4; 1т - амплитуда тока в катушках, включенных согласно; Яъ Лт - соответствующие размеры на рис. 1.
При этом имеется в виду, что глубина проникновения тока А в анод А и опорный диск 6 незначительна (скин-эффект А < 10-3 м) из-за высокой проводимости материала и импульсного питания обмоток.
Система питания катушек магнитного поля 3, 4 формирует импульсное магнитное поле, которое можно считать квазипостоянным в течение длительности импульса ускоряющего напряжения и^). Схема питания выполнена согласно одной из схем, описанных в [4].
На рис. 2 приведена принципиальная электрическая схема питания катушек магнитного поля и.д.м. и эпюры токов и напряжений в ней. Основными элементами схемы являются емкостной накопитель С1, согласно включенные катушки ¿3 и ¿4, анод А и коммутирующие тиристоры УБ1 и УБ2. Энергия накопителя С1 используется для создания радиального магнитного поля определенной конфигурации в зазоре диода (рис. 1, 2). Конфигурация наводимого катушками ¿3 и ¿4 магнитного поля определяется геометрическим расположением анода А и катушек ¿3 и ¿4, их параметрами (рис. 1). Напряжение заряда V накопителя С1 регулируется регулятором напряжения ¥Я в диапазоне 0.3-3 кВ. Максимальная запасаемая энергия в С1 при С1 = 200 мкФ составляет тах = 900 Дж.
/3, кА 6 5 4 3 2 1 0 -1
и \ '
1 1 1 .....
и, кВ 300
200
100
80 160 240 и 10-6 с
320
400
13эфф _ "дл/tи^'
(8)
где tи ~ - длительность импульса тока;
- эквивалентная индуктивность; N - число импульсов в секунду.
Индуктивность с учетом взаимоиндуктивных связей катушек с короткозамкнутым витком (анодом А) составляет
= Ь3 + Ь4 + М34 - М3А - М4А = 60 мкГн. (9)
При этом параметры импульса тока 13 разряда С1: 13т = 5 кА и tи = 280 мкс, рис. 3.
R, см
R19.8 9.6
9.2
В2 1/R В1 ВА
Рис. 3. Первая полуволна тока разряда /3 емкостного накопителя С1 и ускоряющее напряжение и.
Накопитель С1 заряжается от трехфазной сети переменного напряжения
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.