научная статья по теме ПЛАЗМЕННАЯ ПУШКА КАПИЛЛЯРНОГО ТИПА ДЛЯ СИЛЬНОТОЧНОГО ПЛАЗМОНАПОЛНЕННОГО ДИОДА Физика

Текст научной статьи на тему «ПЛАЗМЕННАЯ ПУШКА КАПИЛЛЯРНОГО ТИПА ДЛЯ СИЛЬНОТОЧНОГО ПЛАЗМОНАПОЛНЕННОГО ДИОДА»

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 4, с. 83-

ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА

УДК 621.38

ПЛАЗМЕННАЯ ПУШКА КАПИЛЛЯРНОГО ТИПА ДЛЯ СИЛЬНОТОЧНОГО ПЛАЗМОНАПОЛНЕННОГО ДИОДА

© 2014 г. А. А. Жерлицын, Б. М. Ковальчук, Н. Н. Педин

Институт сильноточной электроники СО РАН Россия, 634055, Томск, просп. Академический, 2/3 E-mail.andzh@oit.hcei.tsc.ru Поступила в редакцию 22.10.2013 г.

Приведены результаты исследований плазменной пушки капиллярного типа, предназначенной для создания плазменного канала с характерным диаметром «10 мм в сильноточном релятивистском электронном диоде. Исследованы динамика распространения ионного потока и влияние параметров источника плазмы на амплитуду тока низкоомной фазы плазмонаполненного диода. В диоде на основе единичной пушки с диаметром капилляра 0.4 мм достигнута длительность низкоомной фазы «120 нс при токе «185 кА. Продемонстрирована возможность увеличения тока диода за счет применения в пушке нескольких капилляров.

Б01: 10.7868/80032816214040120

1. ВВЕДЕНИЕ

В сильноточных электронных диодах источники плазмы применяют для целей компенсации объемного заряда, транспортировки и фокусировки пучков, согласования с питающим генератором [1]. При этом предварительная инжекция плазмы в межэлектродный промежуток позволяет использовать диод в качестве прерывателя тока в генераторах с индуктивным накопителем энергии [2]. Названные достоинства делают плазмо-наполненный диод перспективным источником сильноточного релятивистского сфокусированного электронного пучка. Такой пучок может быть использован для получения высоких плотностей энергии и мощности на аноде, высоких давлений, возбуждения ударных волн, а также генерации мощного рентгеновского излучения.

Основные типы плазменных источников, применяемых в сильноточных диодах с плазменным заполнением: коаксиальная плазменная пушка [3], поверхностный источник с многозазорным пробоем [4], источник плазмы с импульсным напуском газа [5], источник на основе плазмы лазерной абляции [6]. Плазменная пушка капиллярного типа — наиболее простое и эффективное устройство, обеспечивающее формирование плазменного канала с относительно небольшим радиальным размером.

Так, в работе [7] на основе коаксиальной пушки создан плазмонаполненный диод с единичным плазменным каналом диаметром ~1 см, обеспечивающим протекание тока в низкоомной фазе ~100 кА с временем нарастания ~150 нс и гене-

рацию электронного пучка с энергией ~1 МэВ, пиковой мощностью ~100 ГВт. Удельная мощность выделения энергии на аноде составила >10 ГВт/см2.

Дальнейшее наращивание удельной мощности связано с увеличением тока диода при сохранении радиального размера плазменного канала и генерируемого напряжения. Вопросам увеличения тока через плазменный канал диаметром ~1 см, создаваемый пушкой капиллярного типа, посвящена данная работа.

2. СХЕМА ЭКСПЕРИМЕНТА

Эксперименты проводились на линейном импульсном трансформаторе с шестью последовательно включенными ступенями с воздушной изоляцией [8]. Используется конфигурация диода (рис. 1) с размещением источника плазмы на центральном катодном проводнике и, соответственно, с инжекцией плазмы в направлении внешнего анодного проводника. Энергия к диоду подводится по вакуумной коаксиальной линии 1 с диаметром внешнего проводника 200 мм. Диаметр центрального проводника Б варьировался. На конце линии установлен катод 2 в виде трубки из нержавеющей стали с внутренним диаметром 10 мм.

Плазма 4 образуется в результате разряда в диэлектрическом капилляре 6 между центральным электродом 7 пушки и катодом 2 диода. Расстояние между катодом 2 и анодом 5 составляет 30 мм, расстояние от торца плазменной пушки до анода — 40 мм. Напряжение на плазменную пушку подается от генератора на основе конденсаторного блока емкостью 16 или 80 нФ [9]. Форма и ампли-

83

6*

84

ЖЕРЛИЦЫН и др.

Рис. 1. Схема эксперимента с плазмонаполненным диодом. Р1 — индуктивный датчик тока; 1 — передающая линия; 2 — катод; 3 — плазменная пушка; 4 — плазма; 5 — анод; 6 — изолятор плазменной пушки; 7 — центральный электрод плазменной пушки; 8 — цилиндр Фарад ея; 9 — высокоскоростная цифровая камера.

туда тока разряда через пушку варьировались емкостью генератора, зарядным напряжением и ограничительным сопротивлением в цепи разряда.

3. ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЛАЗМЕННОЙ ПУШКИ

На первом этапе выполнены исследования формирования плазменного канала в диодном промежутке без включения линейного трансформатора при различных параметрах источника плазмы. Варьировались диаметр капилляра в диэлектрике пушки (1.4, 0.8 и 0.4 мм), длина капилляра (в диапазоне 5—50 мм), амплитуда (в диапазоне 2—10 кА), форма и полярность разрядного тока. В пушках с капилляром 01.4 и 0.8 мм в качестве материала диэлектрика использован полиэтилен, в пушке с капилляром 00.4 мм — силиконовая резина.

В экспериментах измерялся ионный поток в области анода на оси пушки с помощью цилиндра Фарадея 8 с отрицательным напряжением смещения 20—60 В. Коллектор цилиндра размещался за заземленным экраном с отверстием диаметром »0.3 мм. Данные с цилиндра Фарадея использовались для оценки плотности ионного потока при варьировании параметров источника плазмы. С помощью 4-кадровой высокоскоростной цифровой камеры HSFC PRO (9) с временным разрешением до 3 нс наблюдался процесс заполнения диодного промежутка плазмой.

Ipg, кА

ICF-> отн. ед.

t, мкс

Рис. 2. Осциллограммы тока пушки /да и тока в цепи цилиндра Фарадея 1СВ.

Исследования проводились при давлении остаточного газа »5 • 10-5 Торр.

Пример осциллограмм ионного тока в

цепи цилиндра Фарадея и тока разряда в капилляре пушки приведен на рис. 2. Распространение плазмы в диодном промежутке демонстрируют фотоснимки на рис. 3 и 4 для разных моментов времени относительно начала протекания тока разряда через пушку. Время экспозиции снимков 20 нс.

Осциллограмму ионного тока (рис. 2)

условно можно разделить на два участка, соответствующих двум основным группам ионов. Первая группа ионов достигает области анода через »0.4 мкс после начала протекания тока в пушке.

t С ^ см( А ■ 1 ч

t = 0.5 мкс t = 1.0 мкс t = 1.5 мкс

ч в

t = 2.0 мкс t = 2.5 мкс t = 3.0 мкс

Рис. 3. Фотографии диодного промежутка. Плазменная пушка из полиэтилена с диаметром капилляра 1.4 мм. Время экспозиции снимков 20 нс; t — время после начала протекания тока в пушке, А — анод, С — катод.

t = 0.5 мкс t = 1.0 мкс t = 1.5 мкс

t = 2.0 мкс t = 2.5 мкс t = 3.0 мкс

Рис. 4. Фотографии диодного промежутка. Плазменная пушка из силиконовой резины с диаметром капилляра 0.4 мм. Время экспозиции снимков 20 нс.

Скорость движения ионов ~107 см/с, что для протонов соответствует энергии ~50 эВ. На временном участке I область свечения на фотографиях не перемыкает диодный промежуток.

Форма тока 1^(0 на первом участке зависит от полярности напряжения на центральном проводнике плазменной пушки. При положительной полярности напряжения сигнал на цилиндре Фа-радея появляется раньше, а амплитуда первого пика больше. С уменьшением диаметра капилляра наблюдается рост падения напряжения на разряде в пушке и увеличение длительности сигнала на участке I. Существенного влияния диаметра капилляра и его длины, а также амплитуды и формы тока в пушке в исследованном диапазоне на амплитуду первого пика сигнала не обнаружено.

Ионы второй группы достигают цилиндра Фа-радея при t > 2 мкс. Средняя скорость движения <2 • 106 см/с. Время начала роста тока 1^(0 на участке II соответствует на фотографиях (рис. 3 и 4) распространению свечения на весь диодный промежуток. Ток !С/{0 на втором участке может содержать один или несколько пиков в зависимости от формы разрядного тока Время между пиками !С/{0 коррелирует с полупериодом тока плазменной пушки !ге(0.

Ионы второй группы соответствуют распространению плазмы капиллярного разряда. Параметры этой плазмы достаточно хорошо изучены [3, 10, 11]. При использовании в качестве диэлектрика полиэтилена основной состав плазмы составляют ионы водорода и углерода. Температура плазмы 3—5 эВ. Концентрация плазмы на расстоянии 10 см от пушки ~5 • 1013 см-3.

Исследования показывают, что концентрация этой плазмы растет с увеличением амплитуды тока и длины капилляра. При этом существует оптимум по току и длине, после которого рост концентрации замедляется или прекращается. Немонотонный характер зависимости концентрации плазмы от тока в капиллярном разряде также демонстрируют результаты численного моделирования [12]. В условиях наших экспериментов оптимальный ток ~7 кА, длина капилляра ~20 мм.

Фотографии диодного промежутка (рис. 3 и 4) демонстрируют снижение радиального размера плазменного канала при уменьшении диаметра капилляра пушки.

Id, кА кВ

t, нс

Рис. 5. Осциллограммы тока ^ и напряжения Ud диода при использовании в вакуумной линии центрального проводника диаметром Б = 70 мм (1), 129 мм (2) и 168 мм (3).

86

ЖЕРЛИЦЫН и др.

Т^ кА 150 г

100

50

□ □ □ □

1ПР

П I

0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

td, мкс

Рис. 6. Зависимость амплитуды тока низкоомной фазы разряда ^ от времени задержки td. Б = 70 мм.

Id, кА 160 г

120

80

40

0

0.6

1.0

-□- 8.4 кА

—А— 7.0 кА

-V- 3.3 кА

-О- 2.7 кА

1.3 кА _I_I_

1.4

1.8 2.2

^, мкс

Рис. 7. Зависимости тока в диоде ^ от времени задержки td при различных токах в пушке. Б = 129 мм.

4. ФАЗА НИЗКООМНОГО РАЗРЯДА ЧЕРЕЗ ПЛАЗМЕННЫЙ КАНАЛ

На следующем этапе исследовалась низкоом-ная фаза разряда линейного трансформатора через плазменный канал в диоде. Осциллограммы тока 7^) и напряжения и^) разряда при использовании пушки с диаметром капилляра 0.4 мм для трех режимов с разной скоростью нарастания тока приведены на рис. 5.

Осциллограммы получены при времени задержки включения линейного трансформатора относительно начала инжекции плазмы td = 1.5 мкс. Скорость нарастания тока в диоде варьировалась изменением индуктивности контура линейного трансформатора за счет диаметра центрального проводника вакуумной линии Б = 70, 129 или 168 мм.

В течение низкоомной фазы плазмонаполнен-ного диода сопротивление разряда через плазму существенно ниже волнового сопротивления контура линейного трансформ

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