ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2004, № 4, с. 70-75
_ ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ _
--ТЕХНИКА -
УДК 621.384.6:539.12.04
ИОННЫЙ ДИОД С ВНЕШНЕЙ МАГНИТНОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ
© 2004 г. В. С. Лопатин*, Г. Е. Ремнев, Э. Г. Фурман, В. А. Макеев, А. В. Степанов
НИИ высоких напряжений при Томском политехническом университете Россия, 634050, Томск, просп. Ленина, 2а E-mail: remnev@ephc.tomsk.ru Поступила в редакцию 24.09.2003 г.
Исследован ионный диод с кольцевым анодом и внешним радиальным магнитным полем, создаваемым парой концентрических обмоток, отличительной особенностью которого является отсутствие устройств для предварительной наработки плазмы. Диод запитывается от сильноточного наносе-кундного ускорителя с согласующим выходным автотрансформатором. Использование баллистической фокусировки в сходящемся ионном пучке позволило получить плотность ионного тока в фокусе 600 А/см2 при к.п.д. ~60% от энергии, запасенной в формирующей линии ускорителя, и потенциале на аноде ~350 кВ при длительности импульса напряжения 50 нс на полувысоте.
Использование мощных ионных пучков для научных исследований и практического применения требует создания надежных источников с высокой повторяемостью характеристик пучка. Для многих практических применений достаточна плотность энергии ионного пучка ~10 Дж/см2 [1], лишь в некоторых случаях до 50 Дж/см2, например для получения алмазоподобных пленок путем испарения графита [2], при длительности импульса ~50 нс. Среди известных конструкций ионных диодов выделяются диодные системы с радиальным магнитным полем, обеспечивающие замкнутый дрейф электронов в прикатодной области [3-6]. Такие ионные диоды обладают к.п.д. в десятки процентов и могут обеспечивать 103-104 импульсов без изменения характеристик пучка. В известных конструкциях ионных диодов предварительная наработка плазмы на поверхности анода достигается за счет использования двух-импульсного режима работы ускорителя [1, 2], вакуумного пробоя у поверхности анода [3, 4] или инжекции газовой струи перед формированием ускоряющего импульса в диоде [6]. Надежность и повторяемость ионных характеристик пучка определяется всем комплексом используемой аппаратуры, и, в первую очередь, ускорителем и способом наработки плазмы на аноде.
Плотность тока в ионном диоде подчиняется закону 3/2:
. = 4£о bKeU h = 9 i m- d2
3/2
(1)
где £0 = 8.85 ■ 10-12 Ф/м; в, т, К - заряд электрона, масса иона, кратность ионизации; с1 - расстояние анод-катод; и - потенциал анода.
Например, для тока протонов с поверхности кольцевого анода с радиусами Я1 и Я2 имеем
Ip, кА = 5.45 • 10
-2 п( rI- R\ )
3/2
dz
U [ MB ]. (2)
Инженерно-физический центр, Томск.
Для повышения плотности тока требуется повышение потенциала и на аноде и уменьшение зазора в диоде при обеспечении зарядовой нейтрализации ионного пучка низкоэнергичными электронами в области дрейфа.
На рис. 1 приведена функциональная схема ускорителя с повышающим автотрансформатором Тр с одним намагничивающим витком W, который по азимуту распределен на 12 частей относительно сердечника, изготовленного из пермаллоя 50 НП х 0.01 [7]. Ускоритель собран по классической схеме: генератор Маркса (ГШ), двойная формирующая линия с водяной изоляцией, с емкостью плеч С1 = С2 ~ 3.6 нФ и электрической длиной ~40 нс. Внешняя линия коммутируется разрядником К. Выходное волновое сопротивление ~10 Ом формирующих линий с помощью автотрансформатора Тр преобразуется в 40 Ом на нагрузке с повышением напряжения от 220 до 400 кВ и уменьшением тока нагрузки до 12 кА в согласованном режиме.
Непосредственно ионный диод содержит кольцевой анод А и два кольцевых конусообразных катода 1,2. Анод изготовлен из материала с высокой проводимостью (медь, алюминий), радиусы колец Я1 = 75 мм, Я2 = 55 мм. Катоды выполнены из тонкой нержавеющей стали (0.8 мм) с большим удельным сопротивлением. Рабочая поверхность анода имеет кольцевые канавки, залитые диэлектриком (полиэтилен или эпоксидный компаунд).
&
гм
Рис. 1. Функциональная схема ускорителя с согласующим трансформатором и ионным диодом. 1 - внешний конусообразный катод; 2 - внутренний конусообразный катод; 3 - шпильки; 4 - диск; 5, 6 - диэлектрические каркасы; 7 -разделительный разрядник; 8, 9 - фланцы; А - кольцевой анод; К - коммутатор; ГМ - генератор Маркса; Рп - пояс Роговского; _Р0, ^ - фокусные расстояния.
Внутренний катод 2 центрируется относительно внешнего шпильками 3, в одной из которых проходит вывод питания внутренней обмотки Ь2. Внешняя обмотка Ь1 последовательно соединена с внутренней, а другим выводом подключается к импульсному источнику питания. Катодная система укреплена на диске 4 с юстировочными устройствами. Обмотки Ь2 и Ь1 помещены в диэлектрические каркасы 5, 6. Анод А подключен к высоковольтному выводу ускорителя через разделительный разрядник 7 на скользящем разряде. Это гарантирует при заряде внутреннего плеча С2 двойной формирующей линии отсутствие напряжения на диоде, вызывающего автоэлектронную эмиссию.
На рис. 2а приведена геометрия промежутка анод-катод. Относительно рабочей поверхности анода кромки катодов 1 и 2 располагались на расстоянии 4.2 ± 0.1 и 6.5 ± 0.1 мм, причем эти расстояния практически не зависят от геометрии анода, а определяются заданной величиной потенциала и величиной индукции магнитного поля в зазоре. Конфигурация магнитных силовых линий в зазоре анод-катод определяется не только геометрией обмоток Ь1 и Ь2, но и токами проводимости, наводимыми в проводящем материале анода и других металлических частях катодного узла.
Распределение магнитного поля должно быть таким, чтобы для замагниченных электронов поверхности равного потенциала по магнитному полю совпадали с эквипотенциальными поверхностями электрического поля при ускорении ионов в диоде. Для получения такого распределения анод изготавливается из хорошо проводящего материала (медь, алюминий), как и фланцы 8, 9, которые также экранируют магнитный поток в области транспортировки ионного пучка и улучшают условия компенсации объемного заряда ионов медленными электронами. Медленные электроны образуются в процессе попадания ионов на поверхности труб дрейфа и катодов 1, 2.
Магнитное поле требуемой конфигурации в зазоре диода получается, если векторный магнитный потенциал обмоток Ь1 и Ь2 на оси X одинаков. Это выполняется, когда длина провода обмоток Ь1 и 12 одинакова, а числа витков и радиусы центров ампер-витков обмоток связаны соотношением
W1Я1 = Я2,
(3)
например, для рис. 2а Я1 = 80 мм, Я2 = 37 мм, W1 = = 9 витков, W2 = 19 витков.
Перед формированием рабочего импульса в ионном диоде по обмотке размагничивания Ь0 (рис. 1) пропускают импульс тока гр и размагничи-
Рис. 2. Конструкция ионного диода (а) и эпюры напряжений на аноде и, полного тока ионного тока I в согласованном режиме (б); А - толщина слоя дрейфующих электронов; 5 - след на поверхности диэлектрика.
вают сердечник трансформатора Тр. В момент протекания тока размагничивания подается питание и на обмотки Ь1 и Ь2. При достижении максимального значения магнитного поля в зазоре диода заряжаются формирующие линии С\, С2 от генератора Маркса ГМ и при срабатывании коммутатора К формируется рабочий импульс напряжения и на аноде А ионного диода.
По виткам намагничивания W трансформатора Тр протекают удвоенный ток нагрузки ионного диода и ток намагничивания сердечника гц. Через азимутально распределенные резисторы Я (ТВО-5-100 Ом, 3 шт.) высокочастотная составляющая тока обмотки Ь0 замыкается на корпус, и тем самым обеспечивается защита цепи источника питания цепи размагничивания сердечника трансформатора. На фронте импульса напряжения происходит взрывная эмиссия с острых кромок катодов 1 и 2 (момент времени ^ на рис. 26).
Напряженность электрического поля Е у кромок катодов имеет перпендикулярную составляющую Е± к силовым линиям магнитного поля и параллельную Е,,, причем последняя направлена к оси X как у кромки катода 1, так и у кромки катода 2. Для напряжения ~300 кВ при зазоре С ~ 5 мм имеем среднюю напряженность Е± ~ 60 кВ/мм, и при индукции В ~ 0.8 Тл средняя скорость дрейфового движения и циклотронная частота равны соответственно
Уп =
В
= 7 • 10' м/с,
ю = — = 1.6 • 1011 рад/с,
те
(4)
так что электроны в дрейфовом движении вокруг оси X за время наработки плазмы (горб в эпюре напряжения на рис. 26) могут совершить почти два полных оборота у поверхности анода вокруг оси X. Высота трохоиды дрейфового движения электронов, направленного по оси X в сторону поверхности анода:
2те (Е, А = —- ( — ± V,
еВ I В 1
1.06 • 10 3 м
(5)
при V|| = 0,
где ±у - составляющая скорости электрона в направлении Е или В в момент инжекции из взрыво-эмиссионной плазмы. Высота трохоиды, т.е. расстояние, на которое электроны проникают в глубь зазора, пропорциональна Е± и зависит от продольной составляющей электрического поля Ец. Продольная составляющая, действующая у кромок катодов 1 и 2, вызывает радиальный дрейф электронов к оси X и начальный разброс направления скоростей электронов относительно вектора силовых линий магнитного поля, так что величина А (5) может изменяться от нулевого значения до ~4А.
До момента времени ¿2 ионный ток отсутствует. Напряжение на диоде растет по режиму холостого хода (ихх). Когда напряженность электрического поля достигает некоторого порогового значения, электроны на вершинах трохоид начинают достигать поверхности анода и нарабатывать плазму из диэлектрика и металла анода, при этом электроны достигают поверхности анода по касательной траектории, имея максимальную скорость.
Поверхностная и объемная плотности заряда во вращающемся электроном диске определяют-
ся потенциалом анода, и их можно оценить из плоской модели как
и
0Се
в = 2£0-__ - 1.6 • 10 4 Кл/м2,
2
0 АСе
(6)
р = 2£0-_р__- - 0.1 Кл/м3,
где Се - эффективный зазор между анодом и центром тяжести объемного заряда электронного облака. Объемный заряд снижает напряженность электрического поля в области дрейфа электронов и усиливает ее перед анодом, так что получается эквивалентный ионный диод с малым расстоянием С и высоким потенциалом и, что и обеспечи
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.