научная статья по теме ВЛИЯНИЕ КОНФИГУРАЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ИОННОГО ДИОДА НА ПАРАМЕТРЫ ИОННОГО ПУЧКА Физика

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ КОНФИГУРАЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ИОННОГО ДИОДА НА ПАРАМЕТРЫ ИОННОГО ПУЧКА»

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2009, № 4, с. 127-131

_ ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ _

--ТЕХНИКА -

УДК 621.384.6:539.12.04

ВЛИЯНИЕ КОНФИГУРАЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ИОННОГО ДИОДА

НА ПАРАМЕТРЫ ИОННОГО ПУЧКА

© 2009 г. А. В. Степанов, Г. Е. Ремнев

НИИ высоких напряжений Томского политехнического университета Россия, 634050, Томск, просп. Ленина, 2а E-mail: StepanovAV@mail.ru Поступила в редакцию 16.12.2008 г.

Исследовано распределение индукции магнитного поля в ускоряющем промежутке ионного диода с внешней магнитной изоляцией, отличительной особенностью которого является отсутствие устройства для предварительной наработки плазмы. Показано, что определенная конфигурация магнитного поля у поверхности анода позволяет увеличить к.п.д. ионного диода до 70%, при этом плотность ионного тока в фокусе диода достигает 350 А/см2.

PACS: 29.25.Ni, 79.20. Kz

Мощные наносекундные ионные пучки используются при обработке и синтезе материалов [1, 2]. Среди известных источников мощных нано-секундных пучков выделяются диодные системы с магнитной изоляцией электронного потока. Независимо от способа наработки плазмы и типа магнитной изоляции [3-6], роль магнитного поля заключается в ограничении потока электронов в прикатодной области и формировании виртуального катода. Конфигурация виртуального катода и характер дрейфового движения электронов зависят как от внешних параметров (амплитуды и длительности импульса напряжения, размеров и геометрии анод-катодного зазора), так и от амплитуды и геометрии импульсного магнитного поля [6]. Таким образом, при прочих равных условиях параметры ионного пучка и режим работы ионного диода зависят от конфигурации магнитного поля внутри диода.

В данной работе исследуются зависимость параметров ионного пучка от геометрии магнитного поля и возможность согласования импедансов ионного диода и мощного высоковольтного нано-секундного генератора путем выбора конфигурации магнитного поля. Исследования выполнены на ионном диоде с внешним радиальным магнитным полем без предварительной наработки плазмы. Наработка плазмы происходит во время действия основного импульса напряжения за счет пробоя по поверхности диэлектрического анода [4].

На рис. 1 приведена конструкция ионного диода, радиально-симметричного относительно оси X. Ионный диод содержит анод 1, катушки магнитного поля 2, 3 и систему катодов 7 и 8, имеющих коническую форму. Анод 1 выполнен из материала с низким удельным электрическим сопротивлением - алюминиевого сплава Д16, с тем

чтобы экранировать импульсное магнитное поле в области ускорения ионного пучка. Рабочая поверхность анода имеет кольцевые канавки, заполненные водородосодержащим диэлектриком -эпоксидной смолой. Площадь рабочей поверхности анода составляет Ба = 120 см2. Конфигурация диода обеспечивает баллистическую фокусировку ионного пучка с углом схождения 22°. Геометрический фокус находится на расстоянии 170 мм от опорного диска 6. Диаметр ионного пучка в фокусе составляет 2.6 см, его площадь = 5.3 см2. Катоды 7 и 8 являются тонкостенными (толщина 0.4 мм) и выполнены из немагнитного материала - титана, который обладает низкой электрической проводимостью. Это исключает ослабление катодами переменного магнитного потока катушек 2 и 3 в области ускорения.

Кромки катодов 7 и 8 располагаются относительно рабочей поверхности анода на расстояниях й1 и й2, которые определяются потенциалом и индукцией магнитного поля в ускоряющем промежутке [7]. Внешняя катушка магнитного поля 2 соединена последовательно с внутренней катушкой 3 и подключена к импульсной системе питания [8]. Система катодов 7, 8 и каркасы катушек 4,5 крепятся на опорном диске 6. Последний изготовлен из алюминия, обладающего высокой электрической проводимостью, что позволяет экранировать область дрейфа ионного пучка от действия импульсного магнитного поля.

Механизм работы ионного диода основан на создании электронного облака, выполняющего роль виртуального катода. При определенном значении напряженности электрического поля в катод-анодном промежутке происходит взрывная эмиссия электронов на кромках катодов, сопровождаемая образованием плазмы. Появлению

Рис. 1. Конструкция ионного диода. 1 - анод; 2 и 3 - катушки магнитного поля; 4 и 5 - каркасы катушек; 6 - опорный диск; 7 - внешний катод; 8 - внутренний катод; 9 - калориметр; 10 - коллимированный цилиндр Фарадея.

и, кВ I, кА ]ь А/ем2

Рис. 2. Осциллограммы ускоряющего напряжения иф, полного тока диода ¡ф (а) и плотности тока ионного пучка (б).

плазмы соответствует снижение амплитуды ускоряющего напряжения на фронте импульса иф, рис. 2а. В основном эмиссия электронов идет из плазмы в области внешнего катода 7, наименее удаленного (фх) от анода.

Электроны заполняют катод-анодную область, осуществляя дрейф по сложной траектории в скрещенных электрическом и магнитном полях с наложением неоднородного распределенного и быстро меняющегося во времени электрического поля, напряженность которого задается плотностью заряда дрейфующих электронов. Тем самым формируется виртуальный катод. На

дрейф электронов и пространственную конфигурацию виртуального катода оказывает значительное влияние распределение силовых линий магнитного поля в катод-анодном промежутке. Ход силовых линий в этом промежутке определяется геометрией расположения ампервитков катушек 7, 8 и токами проводимости, наводимыми в материале анода и других металлических частях катодного узла.

При образовании виртуального катода электрическое поле локализуется у поверхности анода и происходит экранировка катодов 7, 8. Радиальное магнитное поле замагничивает электроны, в

результате количество электронов, попадающих на анод, снижается [8]. В процессе дрейфа происходит также ионизация остаточного газа. Электроны, образованные при ионизации газа в области "анод - виртуальный катод", рассеянные электроны, а также часть дрейфующих электронов могут достичь поверхности анода, обеспечивая условия поверхностного пробоя диэлектрических вставок и образуя плазму - источник ионов. Радиальное магнитное поле практически не сказывается на траектории ионов в области ускорения ионов из-за большой величины их ларморовского радиуса. Ускоренные ионы формируют импульсный ионный пучок, который распространяется в катодной полости, а затем в пространстве дрейфа к мишени 9.

Исследования были выполнены на импульсном ускорителе "Темп" со следующими параметрами: амплитуда ускоряющего напряжения ит = 350 кВ, импеданс ускорителя X = 5 Ом, длительность импульса напряжения по основанию импульса г = = 120 нс. Магнитное поле формировалось при разряде емкостного накопителя импульсного источника питания [8]. Длительность импульса тока по основанию составила 180 мкс. Напряжение источника регулировалось в диапазоне 2-7 кВ, при этом в катушках магнитного поля запасалась энергия от 40 до 490 Дж.

Положение катушек 2, 3 и катодов 7, 8 было определено на основании расчетов [8] и уточнено в ходе исследований. Кромки катодов 7, 8 располагались соответственно на расстояниях = 5 мм

0.622 0.661 0.705

0.712

0.805

0 0.60

0.65

0.70

0.75 0.80 Б, Тл

Рис. 3. Распределение индукции магнитного поля В в области ускорения: 1 и 1' - у эмиссионных кромок внутреннего катода, 2 и 2' - у эмиссионных кромок внешнего катода, 3 и 3' - на поверхности анода.

где К - постоянная измерительной катушки, равная произведению площади сечения катушки 5 на число витков N а - угол между направлением вектора В и осью симметрии катушки. Результирующее значение индукции магнитного поля В вычислялось как

В =

В2Ч + В2.

(2)

Измерения проводились в предположении, что и й2 = 8.6 мм от поверхности анода. Соотношение значения Вп и Вх с°храняются тостгамьм п° се

ампервитков катушек 7, 8 определялось числом витков .2 внешней катушки, которое изменялось от 14 до 11. При этом число витков внутренней катушки оставалось постоянным - . = 25. В катушках магнитного поля, независимо от соотношения ампервитков катушек, запасалась энергия 300 Дж. Давление в вакуумной камере поддерживалось на уровне 2 ■ 10-4 Торр.

Распределение плотности силовых линий магнитного поля в ускоряющем промежутке диода регистрировалось двумя измерительными катушками. Идентичные по размерам и числу витков катушки располагались взаимно перпендикулярно, что позволяло измерять нормальную Вп и тангенциальную Вт составляющие индукции магнитного поля В относительно поверхности анода. Непосредственно измерялся импульс напряжения ис(г), возникающий при изменении магнитного потока, сцепляющегося с катушкой. Индукция магнитного поля В вычислялась по формуле:

В =

1

К ео8 а

| и с( г) йг,

(1)

чению измерительной катушки. Средний диаметр катушек и высота при этом равны 2.25 мм. Постоянная измерительных катушек равна К = 1.1 х х 10-4 Виток ■ м2.

На рис. 3 показано распределение индукции магнитного поля В в ускоряющем промежутке диода при изменении соотношения ампервитков катушек в диапазоне г'М/(М3) = М/. = 0.44-0.56. Кривые 1-3 соответствуют соотношению г'М/(М3) = 0.44, кривые 1'-3' - соотношению М2/(М3) = 0.56.

Распределение индукции магнитного поля у внешнего и внутреннего катодов незначительно меняется лишь в области кромок катодов при изменении соотношения г.2/(г.3) в указанном диапазоне. При соотношении г.2/(г'.3) = 0.56 на поверхности анода в интервале 9 < Я < 18 мм формируется "провал" магнитного поля, который вызван неравномерным распределением наводимого тока по поверхности металлической части анода. При соотношении г.2/(г'.3) = 0.44 индукция магнитного поля равномерно возрастает с уменьшением расстояния Я. Таким образом, изменение соотношения ампервитков катушек внешнего магнитного поля в основном влияет на распреде-

(а) (б)

Рис. 4. Отпечаток ионного пучка на медном калориметре (а) и распределение плотности ионного тока по сечению пучка ^ (б).

ление индукции магнитного поля у поверхности анода.

Выполнены измерения энергии и плотности тока ионного пучка 3] в фокусе диода в указанном диапазоне соотношения ампервитков катушек (таблица). Исходя из величины ускоряющего напряжения ил и полного тока ¡й диода (рис. 2а) определена выделя

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