Численное моделирование формирования и транспортировки интенсивных низкоэнергетических электронных пучков в плазменном канале

Ле Ху Зунг

Численное моделирование формирования и транспортировки интенсивных низкоэнергетических электронных пучков в плазменном канале тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

Ле Ху Зунг АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Томск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.20 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Численное моделирование формирования и транспортировки интенсивных низкоэнергетических электронных пучков в плазменном канале»

Автореферат диссертации на тему "Численное моделирование формирования и транспортировки интенсивных низкоэнергетических электронных пучков в плазменном канале"

На правах рукописи

Ле Ху Зунг

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ И ТРАНСПОРТИРОВКИ ИНТЕНСИВНЫХ НИЗКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ В ПЛАЗМЕННОМ КАНАЛЕ

01.04.20 - физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Томск - 2013

1 2 ДЕК дЛЗ

005543721

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»

Научный руководитель: Коваль Тамара Васильевна

доктор физико-математических наук, с.н.с.

Официальные оппоненты: Кривобоков Валерий Павлович

доктор физико-математических наук, профессор. Заведующий кафедрой водородной энергетики и плазменных технологий, Физико-технический институт, Национальный исследовательский Томский политехнический университет.

Астрелин Виталий Тимофеевич

кандидат технических наук, с.н.с. Институт ядерной физики СО РАН (г. Новосибирск).

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники» (г. Томск).

Защита диссертации состоится «24» декабря 2013 года в 15.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.269.05 при Национальном исследовательском Томском политехническом университете по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина 2а.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Национального исследовательского Томского политехнического университета по адресу: г. Томск, ул. Белинского, 53.

Автореферат разослан: «_»................2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, /

кандидат физико-математических наук 'с A.B. Кожевников

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Низкоэнергетические (10-30 кэВ) интенсивные (0,1-30 кА) микросекундные и субмиллисекундные электронные пучки с высокой (1-100) Дж/см2 плотностью энергии находят применение в различных технологических процессах, связанных с изменением структурного состояния и функциональных свойств поверхности материалов и изделий.

В импульсном электронном источнике со взрывоэмисионным катодом получены сильноточные (до 25 кА) микросекундные (до 5 мкс) электронные пучки с плотностью энергии до 20 Дж/см2 [1*]. Для формирования интенсивных (до 300 А) субмиллисекундных (до 200 мкс) низкоэнергетических (до 20 кэВ) электронных пучков с плотностью энергии до 100 Дж/см2 разработаны импульсные электронные источники с плазменным катодом [2*].

Одной из основных проблем успешного применения импульсных электронных источников является разработка надежных и эффективных методов транспортировки и управления параметрами электронных пучков с большой плотностью энергии. Теоретический подход к решению обозначенных проблем основан на аналитическом исследовании и численном моделировании основных физических процессов в плазменном канале при транспортировке низкоэнергетического пучка большой мощности к коллектору или мишени, где происходит утилизация энергии пучка.

При электронно-пучковой обработке крупногабаритных изделий наиболее рациональной является прямоугольная (квазипрямоугольная) форма поперечного сечения пучка, позволяющая увеличить шаг сканирования и, следовательно, производительность процесса. В то же время с точки зрения формирования пучка и из конструктивных соображений удобнее аксиально-симметричные электронные пушки. Впервые трансформация электронного пучка была предложена и экспериментально подтверждена в ИСЭ СО РАН Озуром Г.Е. и Карликом К.В. Поэтому представляет интерес численное исследование условий трансформации сильноточного электронного пучка круглого сечения в пучок прямоугольного сечения с целью оптимизации конструкции электронного источника.

Фокусировка сильноточного электронного пучка при его транспортировке в ведущем аксиально-симметричном магнитном поле сопровождается потерями тока пучка, а на выходе из канала транспортировки электронного пучка трудно исключить эффекты, связанные с расширением пучка в магнитном поле соленоида. Поэтому представляет интерес моделирование управления распределением плотности тока пучка в конце канала транспортировки с помощью ферромагнитной вставки (цилиндрической или полой цилиндрической), расположенной за коллектором электронов [3*].

В экспериментальной работе [4*] обнаружено усиление тока эмиссии плазменного катода, которое объясняется вторичной ионно-электронной эмиссией с поверхности эмиссионного электрода. Представляет интерес

создание аналитической модели токопрохождения пучка в системе с плазменным катодом с учетом формирования плазменного канала и вторичной ионно-электронной эмиссии с катодного электрода.

В предварительных экспериментах по генерации плотных субмиллисекундных электронных пучков в отсутствие внешнего магнитного поля получен низкоэнергетический электронный пучок с амплитудой тока до 1 кА и общей энергией в пучке 3,5 кДж [5*]. Представляет интерес теоретическое исследование влияния условий формирования электронного пучка на его токопрохождение в протяженном канале транспортировки.

Из вышеперечисленного следует, что теоретическое исследование и численное моделирование управления формированием пучка и распределением плотности тока интенсивного низкоэнергетического пучка является актуальным и имеет большое значение для повышения производительности процесса электронно-пучковой обработки материалов и изделий.

Диссертация выполнена на кафедре прикладной математики Института кибернетики Национального исследовательского Томского политехнического университета в соответствии с планом НИР кафедры прикладной математики, с работами по грантам РФФИ: 12-08-00251а, 12-08-00213а и 13-08-98066а (совместно с Институтом сильноточной электроники СО РАН, г. Томск).

Цель диссертационной работы - теоретическое исследование и численное моделирование управления транспортировкой и распределением плотности тока низкоэнергетического интенсивного электронного пучка в плазменном канале.

Основные задачи исследований:

1. Численное исследование влияния магнитного поля обратного токопровода электронного источника на трансформацию поперечного сечения электронного пучка.

2. Численное исследование влияния ферромагнитной вставки, установленной за коллектором пучка, на фокусировку и перераспределение плотности тока пучка.

3. Численное исследование транспортировки низкоэнергетического интенсивного электронного пучка в плазменном канале.

4. Теоретическое исследование токопрохождения низкоэнергетического электронного пучка с учетом ионно-электронной эмиссии с катодного электрода плазменного источника электронов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Численными методами получены условия преобразования формы круглого сечения сильноточного электронного пучка в прямоугольную в магнитном поле обратного токопровода. Разработанный алгоритм позволяет оценить степень токовой нейтрализации пучка из сравнения расчётных автографов пучка с экспериментальными по форме и углу поворота пучка как целого.

2. Численными методами исследован способ управления фокусировкой и распределением плотности тока сильноточного электронного пучка с помощью цилиндрической ферромагнитной вставки, расположенной непосредственно за коллектором электронов.

3. Численно методом крупных частиц показано, что при транспортировке интенсивного электронного пучка распределение плотности тока пучка на мишени зависит от радиального профиля концентрации плазмы.

4. Получены аналитические зависимости ионного тока, токов эмиссии и коллектора от давления рабочего газа, ускоряющего напряжения и тока электронов пучка с учетом вторичной ионно-электронной эмиссии с поверхности катодного электрода в электронной системе с сетчатым плазменным катодом.

Практическая значимость работы

Результаты, полученные в диссертационной работе, применялись при анализе экспериментальных результатов токопрохождения

низкоэнергетических электронных пучков в плазменном канале электронных источников в Институте сильноточной электроники СО РАН и могут быть использованы при:

• оптимизации условий транспортировки низкоэнергетических пучков в пространстве дрейфа с наименьшими потерями энергии;

• оптимизации конфигурации сечения и перераспределения плотности тока пучка в конце канала транспортировки пучка к мишени.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель и алгоритм расчёта трансформации нерелятивистского интенсивного электронного пучка круглого сечения в пучок квазипрямоугольного сечения в неоднородном магнитном поле обратного токопровода, прикрепленного к коллектору электронов. Трансформация осуществима, если напряженность магнитного поля сравнима по порядку величины с собственным магнитным полем пучка и зависит от геометрии токопровода, уровня токовой нейтрализации и градиента ведущего магнитного поля в области токопровода.

2. Математическая модель и алгоритм расчёта фокусировки нерелятивистского интенсивного электронного пучка и перераспределения плотности тока (энергии) по его сечению с помощью ферромагнитной вставки, расположенной непосредственно за мишенью. Расчёты подтвердили возможность улучшения однородности распределения плотности энергии по сечению пучка путём подбора геометрии и магнитных свойств материала вставки.

3. Результаты численного моделирования (с применением Р1С кода КАРАТ) транспортировки интенсивного электронного пучка в плазменном канале без внешнего магнитного поля. Радиально-неоднородное распределение плотности плазмы в канале обуславливает радиально неоднородное

распределение плотности тока транспортируемого интенсивного электронного пучка. 4. Теоретическая модель, учитывающая баланс токов в плазменном канале, создаваемом электронным пучком, транспортируемым в слабом магнитном поле (когда циклотронная частота юс меньше частоты плазменных колебаний шр). Теоретические зависимости подтвердили, что увеличение тока эмиссии в электронном источнике с плазменным катодом связано с ионно-электронной эмиссией с поверхности эмиссионного электрода.

Личный вклад автора

Проведение аналитических и численных расчетов, сравнительный анализ экспериментальных и теоретических результатов, формулирование научной новизны, защищаемых положений и выводов.

Апробация результатов

Основные результаты, полученные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры прикладной математики Института кибернетики Национального исследовательского Томского политехнического университета и доложены на следующих конференциях:

VII (VII, IX) Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и современные информационные технологии», Томск, 2009 (2010, 2011); III Российская научно-практическая конференция «Физико-технические проблемы получения и использования пучков заряженных частиц, нейтронов, плазмы и электромагнитного излучения» (с международным участием), Томск, 2009; 16th International Symposium on High Current Electronics, Tomsk, 2010; Всероссийская (с международным участием) конференция «Физика низкотемпературной плазмы» - Петрозаводск, 2011; XIV Latin American Workshop on Plasma Physics// held in Mar del Plata, Argentina, 2011; 3d International Congress Science Program, Tomsk, 2012; Международная конференция "Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах" - Томск, 2012; IV Международный Крейнделевский семинар «Плазменная эмиссионная электроника», Республика Бурятия, 2012; Всевьетнамская научно-практическая конференция «Фундаментальные и прикладные проблемы физики» - Нгхе Ан, Вьетнам, 2012; 11-я Международная конференция "Газоразрядная плазма и ее применения", Томск, 2013.

Публикации

Основные результаты работы опубликованы в 15 печатных трудах, включая 8 статей в журналах, входящих в перечень ВАК, рекомендуемых для публикации основных результатов диссертаций на соискание ученых степеней кандидата наук, и 1 патент (Российской федерации).

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, и приложения. Объем диссертации составляет 132 страниц, включая 78 рисунков, 15 таблиц и список литературы из 74 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность, цель, научная новизна и практическая значимость диссертационной работы. Излагается краткое содержание диссертационной работы, формулируются научная новизна и выносимые на защиту научные положения.

В первой главе проведен краткой обзор экспериментальных и теоретических работ по формированию и транспортировке интенсивных электронных пучков в диодах заполненных плазмой.

Описываются электронные источники сильноточного микросекундного пучка, субмиллисекундного интенсивного пучка и используемые методы моделирования транспортировки интенсивного низкоэнергетического электронного пучка в плазменных диодах этих источников.

Первая модель описывает движение электронов и формирование огибающей электронного пучка во внешних полях и собственных полях пучка с учетом зарядовой/е и токовой нейтрализации/м\

гьеВвтА евг . ер2вг е ,.„ . т

= ^ ао) (2) гргу>щ ут0с ут0 ут0с - "

.. = г„еВ (р ^еЬу р + хВ (3)

г1ут0 ут0 ут0 ут0с х-м У-00

где Д. = х/ с, Ру=у/ с, ¡5х = г / с, у'1 = 1 - Д? - ргу - Д2, е и т0 - заряд и масса электрона, с - скорость света; Ввт =2/4 (/)//;с - максимальное значение собственного магнитного поля, Вг- внешнее магнитное поле (поле соленоидов), Вх у I до ~ компоненты суммарного магнитного поля токопровода и тока

мишени, г = у]х2 + у1 - радиус траектории электрона в цилиндрических координатах {г,в,г), Ег,„а - электрическое индуцированное поле, гь и Яс -радиусы пучка и трубы дрейфа, Вг = -дВг Ид:, А = Д2 (1 - /м ) -1 + /е, /е и/„ -степени зарядовой и токовой нейтрализации.

В режиме транспортировки движение пучка в собственном и внешнем магнитных полях характеризуется периодическими колебаниями радиуса пучка.

Система уравнений (1-3) решается численно в программе, разработанной в среде МАТЬАВ и с применением специального пакета СОМЗОЬ МиШрЬузюз.

Вторая модель описывает самосогласованное движение низкоэнергетического электронного пучка в канале транспортировки, заполненном плазмой (метод крупных частиц, 2-х и 3-х мерные Р1С коды КАРАТ).

Проводится тестирование математических моделей (методов огибающей и крупных частиц) при исследовании влияния градиента аксиально-симметричного магнитного поля на радиус пучка на мишени, влияния начального разброса электронов по скоростям и кривизны эмиссионной поверхности на огибающую интенсивного электронного пучка.

Методом крупных частиц исследуется влияние неоднородной концентрации плотности плазмы на токопрохождение пучка и распределение плотности тока сильноточного пучка на мишени. Получено, что неоднородное вдоль продольной координаты распределение плотности плазмы практически не меняет конфигурацию распределения плотности электронов на коллекторе. При радиально неоднородном распределении плотности плазмы с максимумом на оси распределение электронов пучка на мишени становится также радиально неоднородным (рис. 1) за счет увеличения плотности ионов на оси при выходе плазменных электронов. Параметры численного эксперимента: энергия электронов £'=30кэВ, радиус пучка гь = 3 см, длина канала транспортировки Н= 10 см, ведущее магнитное поле В2 = 2,4 кГс, ток пучка / = 20 кА, два типа распределения концентрации плазмы - пр\ и прг.

пр! = 8x101'см'3,

Г10|2см~\ г < 1.5см

У1 — ^

"2 [8 х 10"см~3, 1.5см <г< Зсм

0-1-.----

0 1 2 3 г, см

Рисунок 1. Распределение плотности электронов пучка на мишени в радиально однородном (1) и радиально неоднородном (2) плазменном канале

Во второй главе проводится исследование трансформации слаборелятивистского сильноточного электронного пучка в аксиально-неоднородном магнитном поле, сформированном обратным токопроводом в виде плоских шин или шпилек, прикрепленных к коллектору-мишени (рис. 2). Во избежание потерь трансформацию электронного пучка целесообразно осуществлять в конце канала транспортировки. Моделирование проводится методом огибающей в условиях зарядовой нейтрализации, что соответствует условиям эксперимента (Модель I) и методом крупных частиц с использованием 3-х мерного кода КАРАТ (Модель II). Исследуется влияние

пь, см

геометрии обратных токопроводов, токовой нейтрализации, градиента ведущего магнитного поля и тока пучка на преобразование круглого сечения электронного пучка в квазипрямоугольное.

н-лнв

4 г

Электронный пучок

а) б) в) г) д)

Рисунок 2. Схема канала транспортировки (а), проекции с токопроводом и с ферромагнетиками - 2 шины (б), 4 шпильки (в), сплошный ферромагнетик (г) и полый ферромагнетик (д); I) электронный пучок; 2) обратный токопровод; 3) мишень; 4) инжектор; 5) соленоиды; 6) ферромагнетик

На рис. 3 показаны траектории краевых электронов пучка и их автографы на мишени для разных токопроводов.

20 15 о Ю

0 о 3

-3 -3 у, см -6 -6 х см

-3 _3 у, см -6 -6 х, см

і ґ х\ \ V

.......

\ !

-6 -с 0 3 €

6 3

5 о

ь; -з -6

•г . г— 1 $

/ :: о •; А

-6 -3 0 3 6 х, см

в)

X, см

б)

Рисунок 3. Траектории краевых электронов и автограф пучка на мишени при разных токопроводах: а) симметричный токопровод; б) 2 шины; в) 4 шпильки

Параметры численного эксперимента: Е = 27 кэВ, гь = 4,25 см, ток пучка 1Ь = 20 кА, радиус и длина трубы дрейфа /?с=Ю,Зсм и ¿=18,5 см, длина

= 1,7 кГс, степень

токопровода / = 4 см, ширина шины й = 3...9см, Вт токовой нейтрализации/м = 0,5.

В аксиально-симметричном ведущем поле пучок расширяется на выходе из канала транспортировки благодаря радиальной составляющей магнитного поля на краю соленоида и не происходит изменения симметрии пучка.

В магнитном поле токопровода в виде двух шин пучок имеет форму близкую к прямоугольнику, длина сторон которого зависит от размеров шин и их местоположения. В магнитном поле токопровода в виде 4-х шпилек или 4-х шин форма пучка на мишени близка к квадратной.

При увеличении токовой нейтрализации уменьшается собственное магнитное поле пучка и увеличивается роль радиальной составляющей ведущего магнитного поля на движение краевых электронов. Чем выше значение токовой нейтрализации, тем больше угол поворота автографа на мишени. На рис. 4 показана зависимость линейных размеров автографа от /„ (Д = ЗОкА). Сравнение расчетных и измеренных линейных размеров Д, и Да позволяет судить о близости прямоугольного автографа пучка к идеальному.

'о % Л

г4-..... 7

-6 -3 0 3 6 х, см

Рисунок 4. Зависимость линейных размеров автографа пучка на мишени от/„: 1- Иа, 2 - и 3 — Да = (/г/+//)0'5, 4 — Д,

Экспериментальное определение степени токовой нейтрализации нерелятивистского пучка весьма затруднительно. Исследуя же трансформацию пучка, можно из сравнения расчетных и экспериментальных автографов, полученных при одинаковых параметрах, сделать вывод относительно уровня токовой нейтрализации/„, которая в данном случае/м ~ 0,4...0,5.

Конфигурацией автографа пучка на мишени можно управлять изменением градиента магнитного поля на выходе из канала транспортировки. Так для тока пучка 25—30 А в области градиентов магнитного поля (-30... 10 Гс/см) конфигурация автографа близка к прямоугольной (О^Да), при этом внешнее ведущее магнитное поле — (1000... 1700) Гс, магнитное поле токопровода (шины) на расстоянии 0,5 см от него 600 Гс, собственное магнитное поле пучка ~ 950 Гс.

На рис. 5 а, б показаны экспериментальные автографы пучка (полученные Озуром Г.Е. и Карликом К.В.), а на рис. 5 в, г показаны расчетные автографы пучка.

а) б) в) г)

Рисунок 5. Экспериментальные (а, б) и расчетные (в, г) автографы пучка; токопровод 2 шины (а, в) и 4 шины (а, г)

Автографы электронного пучка на мишени, полученные методом огибающей, согласуются с численным моделированием крупными частицами (3-х мерный Р1С код) и показывают хорошее согласие с экспериментом.

В третьей главе проводится численное исследование использования цилиндрической ферромагнитной вставки для фокусировки и управления распределением плотности тока пучка. Численно исследуется влияние геометрических размеров и свойств материала цилиндрических вставок (сплошной и полой) на распределение плотности пучка на коллекторе в аксиально-симметричном магнитном поле и в магнитном поле обратного токопровода. Проводится сравнение с экспериментом.

Изменить распределение направляющего магнитного поля в конце трубы дрейфа можно с помощью ферромагнитной цилиндрической вставки, расположенной непосредственно за мишенью (рис. 2). Данный способ является привлекательным, поскольку не требует никаких изменений в конструкции соленоида и позволяет управлять плотностью тока пучка на мишени. Распределение суммарного магнитного поля соленоидов и ферромагнитной вставки с намагниченностью 7,5x105А/м представлено на рис.6: сплошной цилиндр (рис.6 б) с радиусом Я/ =5 см и высотой 1 = 6 см; полый цилиндр (рис. 6 в) с радиусами = 4,8 см и /?/2 = 8 см и высотой 1 = 4 см.

а) б) в)

Рисунок 6. Распределение вдоль канала транспортировки магнитного поля соленоидов (а), суммарного магнитного поля соленоидов и ферромагнетика сплошного (б) и полого (в) на разных радиусах; 1 — г=0 см; 2-2 см; 3 - 4 см

На рис. 7 показаны распределения плотности электронов пучка при двух значениях намагниченности ферромагнетика (а) М= 7,5x105 А/м (СоРг), и (б) -1,5х106А/м (Ре4Н) для двух геометрий вставки. Со сплошной цилиндрической вставкой фокусируется пучок (кривые 2) без изменения конфигурации распределения плотности электронов; с полой цилиндрической вставкой происходит перераспределение плотности электронов по радиусу (кривая 3) за счет перераспределения плотности силовых линий магнитного поля. Численные расчеты показали, что при намагниченности материала вставки меньше чем 104А/м, практически не происходит изменения начальной плотности электронов пучка.

2 '

-6 -4 -2 0 2 4

Гь, см

а)

б)

Рисунок 7. Распределение плотности электронов пучка на входе в трубу дрейфа (0), на мишени без ферромагнетика (1), со сплошным (2) и полым (3) ферромагнетиком

Электронный пучок фокусируется на мишени, если относительный радиус сплошной цилиндрической вставки (М= 7,5* 105 А/м) 0,5 < И/гЬо < 5 (рис. 8 а). В случае полой цилиндрической вставки (рис. 8 б) с внешним радиусом Яр=\,9гЬо (линия 1) сжатие пучка на мишени происходит, если внутренний радиус вставки Я^ < 0,1 гьо', гь!гьо =1,38; гь — радиус автографа пучка без вставки. С увеличением намагниченности полой вставки радиус автографа пучка стремится к внутреннему радиусу вставки.

1,4 г--1.4

1,2 О

0,8 0,6

3/ 2/>

/ /у

2,5 5 7,5 10 0 0,5 1 1,5 2

Кг/гьо

а) б)

Рисунок 8. Зависимость радиуса автографа пучка от радиуса сплошной (а) и внутреннего радиуса полой (б) ферромагнитной вставки: 1 - ¡?д/гьо= 1,88; 2 -1,75; 3 -0,94

Исследование влияния продольных размеров вставок на автограф пучка показало, что с увеличением длины вставки уменьшение радиуса пучка имеет насыщение, обусловленное определяющей ролью поперечных размеров вставки на изменение плотности силовых линий магнитного поля в конце трубы дрейфа.

Расчетные и экспериментальные измерения радиального распределения магнитного поля для ферромагнитных цилиндрических полых вставок с внутренним радиусом 1 см различных размеров показаны на рис. 9, (м = 1000). На рис. 10 представлены фотографии автографов пучка, полученные в эксперименте [3*].

В таблице 1 представлены экспериментальные и расчетные значения диаметров автографов пучка при разных геометрических размерах ферромагнитной вставки. По полученным результатам видно, что диаметры расчетных автографов пучка близки к экспериментальным. С ферромагнитной вставкой, как видно из рис. 11, происходит перераспределение плотности тока пучка на мишени (кривые 1 - 4).

г, см г, см

а) б)

Рисунок 9. Экспериментальное [3*] и расчетное распределение В2 по радиусу около мишени: 1- нет вставки; 2 - 04,8 см и /= 6 см; 3-04,8 см и /=12 см; 4 - 06 см и 1=6 см; 5-06 см и /=12 см; 6 - усредненная кривая 3

а) б)

Рисунок 10. Автограф пучка на мишени: а) нет вставки; б) вставка с 04,8 см и /=12 см [3*]

Г, СМ

Рисунок 11. Расчетное относительное распределение плотности пучка на мишени: 0 — нет ферромагнетика; 1 -04,8 см, /= 6 см; 2-06 см, 1=6 см; 3 -04,8 см, /=12 см; 4-06 см, /=12 см;

Таблица 1. Значения диаметров автографов пучка на мишени

Вставка Эксперимент [3*] Расчет

Ток пучка Диаметр автографа пучка на мишени Диаметр автографа пучка на мишени

04,8 см, 1 = 6 см 20.4 кА — 6.6 см

04,8 см, / = 12 см 22.1 кА 6,1 см 6,3 см

06,0 см, / = 6 см 21.8 кА 6,0 см 6,1 см

06,0 см, / = 12 см 22.2 кА 6,0 см 6,0 см

Из результатов численного моделирования следует, что на мишени со свойствами ферромагнетика может происходить фокусировка пучка, если радиус мишени меньше радиуса пучка на входе в трубу дрейфа.

В четвертой главе

1. Проводятся оценки времени зарядовой нейтрализации электронного пучка и плотности плазменного канала, моделируется (РІС код) транспортировка пучка (с током 50 А и плотностью электронов пучка 1,5x109 см"3) в ведущем магнитном поле 100 Гс в плазменном канале при плотности плазмы 108...10" см"3.

2. С применением метода крупных частиц исследуется транспортировка интенсивного электронного пучка (с током Іь = 1 кА) в плазменном канале на расстояние 70 см без ведущего магнитного поля и в магнитном поле системы соленоидов; радиус трубы дрейфа 8 см, входной радиус пучка 7 см, энергия электронов 30-60 кэВ.

При транспортировке электронного пучка без магнитного поля основные потери происходят за счет тока электронов на стенку трубы дрейфа. На рис. 12 показаны зависимости тока пучка на коллектор и трубу дрейфа от концентрации плазмы. Потери тока пучка при пр < пь = (4...3)х109 см"3 могут происходить на фронте тока пучка, когда скорость поступления электронов пучка в пространство дрейфа больше скорости ионизации газа.

Потери тока пучка при пр > пь связаны с рассеянием электронов по скоростям при их взаимодействии с плазмой. При этом потери тока пучка возрастают с уменьшением начальной энергии электронов пучка (кривая 2).

0 12 3

-і ,-.10 -з Пр,хЮ см

Рисунок 12. Зависимость тока на коллектор (1 и 2) и трубу дрейфа (3) от концентрации плазмы: энергия электронов пучка Е = 60 кэВ (1, 3); 30 кэВ (2)

Численное исследование показало, что без внешнего магнитного поля распределение плотности тока пучка зависит от концентрации плазмы и ее радиального профиля. В радиально неоднородном плазменном канале с максимумом плотности на оси пучка распределение плотности тока пучка обостряется за счет электрического поля ионов при выходе электронов плазмы. На рис. 13 показано распределение плотности тока пучка, инжектируемого с током 1000 А и энергией 60 кэВ в трубу дрейфа с распределением плотности плазмы пр2-

¡г, А/СМ2 80 '

1х101Ссм^,

г < 3.5см 3.5см < г < 8см

2\'

0 2.5 5.0 7.5 г, см

Рисунок 13. Распределение плотности тока пучка по радиусу на разных расстояниях от эмиттера: 1 - г =3 см; 2 - 25 см; 3 — 70 см

В эксперименте [5*] получен автограф пучка диаметром 4 см при токе пучка 700 А на коллекторе, расположенном на расстоянии 70 см от эмиттера. При этом диаметр эмиссионного окна был 7 см, энергия электронов 60 кэВ. Это согласуется с результатами численного моделирования.

При транспортировке электронного пучка в аксиально-симметричном магнитном поле с градиентом 1,4 Гс/см получено практически однородное распределение плотности тока пучка на мишени при значительном уменьшении потерь тока на трубу дрейфа (с 300 до 50 А).

3. Проведено теоретическое исследование влияния вторичной ионно-электронной эмиссии на токи в канале транспортировки. На рис. 14-15

показаны схемы канала транспортировки транспортировки.

Я г

... ■»/г

>ь 1

1/ 1 I

и а

УЬ 1Ь

1 1„

- 'в

электрической цепи канала

I-

- +

«ІИ

"О"

Рисунок 14.

Схема

канала Рисунок 15. Схема электрической цепи

транспортировки пучка: 1 - эмиссионная канала транспортировки: /, - ток

сетка, 2 - катодный электрод, 3 - труба коллектора; 12 - ток трубы дрейфа; -

дрейфа, 4 - коллектор полный ток

Для численных оценок токопрохождения в плазменном канале используем уравнения непрерывности полного тока = /, + + 1Ь:

(/1=1е+Г11 + 1ь, /2=-/й)

и баланса заряженных частиц

дп п

— = пьуь+ п5у3 + пеуе - — д1 1ех

в состоянии равновесия, полагая, что все рождающиеся ионы уходят на

эмиссионный электрод и стенку трубы дрейфа. Здесь п = пе=пп у -

эффективный коэффициент ионно-электронной эмиссии из электродного

материала; 1ех — время выхода заряженных частиц, щ,5,е и л е - концентрации и

частоты столкновений электронов пучка, электронов за счет ионно-

электронной эмиссии с поверхности эмиссионного электрода и электронов

плазмы с молекулами газа, приводящие к их ионизации.

Ионный ток на эмиссионный электрод:

А =4—-Е-, (4)

А-р{у + т]еь)

где А = р/(пЕ1,Ъь) - обобщенный параметр; - концентрация газа; I. = \ ¡.ех\ V. -

скорость ионов, г]еь=ое1оь\ 5, - площади эмиссионной сетки, эмиссионного электрода, аь.е ~ сечения ионизации газа быстрыми электронами и электронами плазмы.

Используя выражение (4) и соотношение Бома для ионного тока на трубу дрейфа, можно исследовать зависимость токов в канале транспортировки от параметров системы: давления газа, ускоряющего напряжения, тока диода. Нелинейная зависимость ионного тока на эмиссионный электрод от давления газа (рис. 16 а) соответствует параметрам эксперимента [4*] для /1 = 0,13 и

Г]еЬ= 1 •

а) б)

Рисунок 16. Зависимости тока коллектора (1), тока в ускоряющем промежутке (2), полного тока эмиссии (3), ионного тока (4) и тока трубы дрейфа (5) от давления рабочего газа (4 = 50 А, иас = 15 кВ) (а) и ускоряющего напряжения (р = 0,03 Па, 1Ь = 50 А)(б); точки - эксперимент [4*]

В рассматриваемой теоретической модели влияние ускоряющего напряжения иас на токопрохождение в источнике с плазменным катодом в диапазоне напряжений (2... 18 кВ) определяется зависимостью эффективного коэффициента у(1/ас), что подтверждается экспериментом [4*] (рис. 16 б).

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертационной работе:

1. Численным моделированием показано, что в сильноточных электронных источниках в конце канала транспортировки осуществляется трансформация пучка круглого сечения в квазипрямоугольную в аксиально-неоднородном магнитном поле, сформированном обратным токопроводом в виде плоских шин или шпилек, прикрепленных к коллектору-мишени.

2. Преобразование формы поперечного сечения сильноточного электронного пучка возможно, если расстояние между краем пучка и ближайшими частями обратного токопровода не превышает диаметра пучка, а напряженность ведущего магнитного поля сравнима по порядку величины с напряженностью собственного магнитного поля пучка.

3. Численно показано, что автограф пучка на мишени и распределение плотности тока пучка зависят от геометрии токопровода, уровня токовой нейтрализации, тока пучка и градиента ведущего магнитного поля в области токопровода. Разработанный алгоритм позволяет оценить степень токовой нейтрализации пучка /„ из сравнения расчётных автографов пучка с экспериментальными по форме и углу поворота пучка как целого. Для сильноточного микросекундного пучка (с током 25 кА энергией электронов 30 кэВ)/„ ж 0,4...0,5.

4. Численным моделированием показано, что использование ферромагнитной цилиндрической вставки, расположенной непосредственно за мишенью, позволяет не только фокусировать сильноточный электронный пучок, но также перераспределить плотность тока пучка. Диаметр автографа пучка и распределение плотности электронов пучка на мишени зависят от материала и геометрии ферромагнитной вставки.

5. Показано, что с помощью сплошной цилиндрической ферромагнитной вставки можно получить уменьшение диаметра пучка на мишени (в 2 раза с намагниченностью материала М= 7,5x105 А/м) с сохранением формы распределения плотности электронов. Уменьшение диаметра автографа пучка с перераспределением плотности электронов можно осуществить с помощью полой цилиндрической вставки. С увеличением намагниченности полой вставки радиус автографа пучка стремится к внутреннему радиусу вставки.

6. Численно с применением метода крупных частиц, получено, что при транспортировке интенсивного электронного пучка распределение плотности тока пучка на мишени зависит от радиального профиля концентрации плазмы.

7. Показано, что без магнитного поля при транспортировке электронного пучка радиусом 7 см с током 1 кА на расстояние 70 см потери тока пучка на стенку трубы дрейфа (радиусом 8 см) зависят от концентрации плазмы. В рассчитанной конфигурации аксиально-симметричного магнитного поля с градиентом 1,4 Гс/см получено однородное распределение плотности тока на мишени при значительном уменьшении (с 300 до 50 А) потерь тока пучка на трубе дрейфа.

8. Получены аналитические зависимости токов эмиссии, коллектора и трубы дрейфа от давления рабочего газа, ускоряющего напряжения и тока электронов пучка в плазменном канале с учетом ионно-электронной эмиссии с поверхности катодного электрода. Теоретические зависимости подтверждают, что увеличение тока эмиссии в эксперименте происходит за счет ионно-электронной эмиссии с поверхности эмиссионного электрода электронного источника с плазменным катодом.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ

1. Озур, Г.Е., Пат. 2446504 Cl Российская Федерация, МПК H01J.

Сильноточная электронная пушка / Г.Е. Озур Г.Е., К.В. Карлик, Т.В.

Коваль, Jle Ху Зунг; заявитель и патентообладатель Учреждение

Российской академии наук Институт сильноточной электроники

Сибирского отделения РАН. — № 2010132621; заявл. 03.08.2010; опубл.

27.07.2012. Бюл. №9.-6 е.: ил. 3.

2. Григорьев, В.П. Исследование основных механизмов энергетических

потерь транспортируемого электронного пучка в плазменных системах /

В.П. Григорьев, Т.В. Коваль, Х.З. Ле // Известия вузов. Физика. - 2009. - Т.

52. - №. 11/2.-С. 101-106.

3. Коваль, Т.В. Трансформация в канале транспортировки поперечного сечения электронного пучка компенсированного по заряду / Т.В. Коваль, Х.З. Ле // Известия Томского политехнического университета. -2010. - Т. 317. - № 2. - С. 129-132.

4. Озур, Г.Е. Управление формой поперечного сечения нерелятивистского сильноточного электронного пучка с помощью обратных токопроводов / Г.Е. Озур, В.П. Григорьев, К.В. Карлик, Т.В. Коваль, Х.З. Ле // Журнал технической физики. - 2011. - Т. 81. - Вып. 9. - С. 100-104.

5. Коваль, Т.В. Влияние токовой нейтрализации и геометрии обратного токопровода на трансформацию низкоэнергетического сильноточного пучка в плазменном канале / Т.В. Коваль, Х.З. Ле // Известия Томского политехнического университета. -2012. - Т. 320. - №. 2. - С. 43-47.

6. Коваль, Т.В. Моделирование транспортировки сильноточного низкоэнергетического электронного пучка в плазменном канале в неоднородном магнитном поле / Т.В. Коваль, Х.З. Ле // Известия вузов. Физика.-2013.-Т. 56.-№. 1/2.-С. 103-108.

7. Koval, T.V. Investigation of the magnetic fields influence of coils, bus-bars, and ferromagnetic insert on the low-energy electron beam / T.V. Koval, H.D. Le // Известия вузов. Физика. -2012,-T.55.-№. 12/2.-С. 189-192.

8. Le, H.D. Investigation of influence of the plasma channel inhomogeneity on current-passage of the low-energy high-current electron beam / H.D. Le, T.V. Koval // Известия вузов. Физика. -2012. -T.55. -№. 12/2. - С. 193196.

9. Коваль, Т.В. Исследование влияния ферромагнитной вставки на распределение плотности низкоэнергетического электронного пучка / Т.В. Коваль, Х.З. Ле // Известия Томского политехнического университета.

- 2013. - Т.323. - № 2. - С. 127-131.

10. Коваль, Т.В. Численное исследование транспортировки низкоэнергетического электронного пучка в плазменном канале / Т.В. Коваль, Х.З. Ле // IV Международный Крейнделевский семинар «Плазменная эмиссионная электроника», - г. Улан-Удэ, 25-30 июня, 2012.

- С.46-51.

11. Ле, Х.З. Динамика электронов плазмы на фронте тока пучка // Молодежь и современные информационные технологии: Сборник трудов VII Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - Томск, 25-27 февраля 2009. - Томск: СПБ Графике, 2009.-С. 153-154.

12. Ле, Х.З. Исследование механизма энергетических потерь транспортируемого длинноимпульсного электронного пучка в плазменной системе // Молодежь и современные информационные технологии: Сборник трудов VIII Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. -Томск, 3-5 марта 2010. -Томск: СПБ Графике, 2010. - С. 170-171.

13. Le, H.D. Transformation of a circular, non-relativistic, high-current electron beam into a rectangular one / H.D. Le, V.P. Grigoriev, T.V. Koval, G.E. Ozur,

K.V. Karlik // 16th International Symposium of High Current Electronics: Proceedings. - Tomsk, September 19-24, 2010. - Tomsk: Publishing House of the IOA SB RAS, 2010. - С. 116-119.

14. Ле, Х.З. Исследование влияния токовой нейтрализации и геометрии токопроводов на конфигурацию сильноточного электронного пучка на мишени в плазменной системе // Молодежь и современные информационные технологии: сборник трудов IX Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. -Томск, 11-13 Мая, 2011. - Томск: Изд-во СПБ Графике, 2011. - Т. 1. - С. 110-111.

15. Коваль, Т.В. Исследование влияния токовой нейтрализации и геометрии обратного токопровода на конфигурацию низкоэнергетического сильноточного пучка в плазменном канале / Т.В. Коваль, Х.З. Ле // Физика низкотемпературной плазмы. Материалы Всероссийской (с международным участием) конференции. -Петрозаводск, 21-27 июня 2011.-Петрозаводск: ПетрГУ, 2011.-T. 1.-С. 139-142.

16. Ле Х.З. Токопрохождение электронов в источнике с плазменным эмиттером при отсутствии тормозящего потенциала коллектора / Х.З. Ле, Т.К. Фам // Международный научно-исследовательский журнал ISSN 23039868. - №7(14) 2013. - С. 37^*0.

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

[1*]. Озур, Г.Е. Источник широкоапертурных низкоэнергетических сильноточных электронных пучков с плазменным анодом на основе отражательного разряда / Г.Е. Озур, Д.И. Проскуровский, К.В. Карлик // Приборы и техника эксперимента. - 2005. - № 5. - С. 1-8.

[2*]. Девятков, В.Н. Получение сильноточных низкоэнергетических электронных пучков в системах с плазменным эмиттером / В.Н. Девятков, H.H. Коваль, П.М. Щанин // Известия высших учебных заведений. -2001. - № 9. - С. 36-43.

[3*]. Karlik, K.V. The Use of Ferromagnetic Inserst for Control of Energy Density Profile of High-Current Electron Beam / K.V. Karlik, G.E. Ozur, L.A. Zyulikova // Известия высших учебных заведений. Физика. -2012. - Т. 55. -№10/3.-С. 150-153.

[4*]. Григорьев, C.B. Эффект усиления эмиссии при генерации низкоэнергетического субмиллисекундного электронного пучка в диоде с сеточным плазменным катодом и открытой границей анодной плазмы / C.B. Григорьев, В.Н. Девятков, H.H. Коваль, А.Д. Тересов // Письма в ЖТФ. - 2010. - Т. 36. - Вып. 4.-С. 23-31.

[5*]. Воробьев, М.С. Источник электронов с многодуговым плазменным эмиттером / М.С. Воробьев, В.Н. Девятков, В.В. Денисов, С.А. Гамермайстер, H.H. Коваль, С.А. Сулакшин, В.В. Шугуров, В.В. Яковлев // Труды IV международного Крейнделевского семинара «Плазменная эмиссионная электроника». - 2012. - С. 29-33.

Подписано к печати 15.11.2013. Формат 60x84/16. Бумага «Снегурочка». Печать XEROX. Усл. печ. л. 1,16. Уч.-изд. л. 1,05. Заказ 1291-13.Тираж 100 экз.

ИЗДАТЕЛЬСТВО Ж Ш. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30 Тел./факс: 8(3822)56-35-35, www.tpu.ru

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Ле Ху Зунг, Томск

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

Ле Ху Зунг

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ И ТРАНСПОРТИРОВКИ ИНТЕНСИВНЫХ НИЗКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ В

ПЛАЗМЕННОМ КАНАЛЕ

01.04.20 - физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

Коваль Т.В.

Томск - 2013

Оглавление

Введение...........................................................................................................................4

Глава 1. Краткий обзор литературы и описание методики расчетов..............12

1.1. Плазменные источники низкоэнергетического электронного пучка............17

1.2. Математическое моделирование.......................................................................20

1.3. Численные методы исследования транспортировки электронного пучка в плазменном канале.....................................................................................................25

1.4. Исследование транспортировки низкоэнергетического сильноточного электронного пучка в плазменном канале в аксиально-симметричном магнитном поле..............................................................................................................................29

1.5. Выводы по первой главе.....................................................................................45

Глава 2. Трансформация поперечного сечения сильноточного электронного пучка в неоднородном магнитном поле обратного токопровода......................47

2.1. Моделирование транспортировки сильноточного низкоэнергетического электронного пучка в плазменном канале в неоднородном магнитном поле токопровода.................................................................................................................47

2.2. Влияние геометрии обратного токопровода на трансформацию поперечного сечения электронного пучка......................................................................................52

2.3. Влияние токовой нейтрализации на трансформацию поперечного сечения электронного пучка....................................................................................................57

2.4. Влияние градиента внешнего магнитного поля на трансформацию поперечного сечения электронного пучка, автограф на фронте тока пучка........61

2.5. Выводы по второй главе.....................................................................................65

Глава 3. Исследование влияния ферромагнитной вставки на распределение

плотности электронов пучка на мишени...............................................................66

3.1. Модель численного эксперимента.....................................................................66

3.2. Транспортировка электронного пучка в магнитных полях соленоида и ферромагнитной вставки...........................................................................................67

3.3. Транспортировка электронного пучка в магнитных полях обратного токопровода и ферромагнитной вставки.................................................................75

3.4. Сравнение с экспериментом.................................................................;.............80

3.5. Выводы по третьей главе....................................................................................82

Глава 4. Транспортировка субмиллисекундного низкоэнергетического интенсивного электронного пучка в плазмонаполненном канале...................84

4.1. Формирование плазменного канала..................................................................84

4.2. Транспортировка интенсивного электронного пучка в источнике с плазменным катодом без ведущего магнитного поля............................................88

4.3. Теоретическое исследование токопрохождения низкоэнергетического электронного пучка с учетом ионно-электронной эмиссии с катодного электрода ......................................................................................................................................96

4.4. Выводы по четвертой главе..............................................................................105

Заключение.................................................................................................................107

Список литературы...................................................................................................110

Список публикаций автора по теме диссертации.................................................116

Приложение А. Ферромагнитные вставки

120

Введение

Актуальность работы

Низкоэнергетические (10-30 кэВ) интенсивные (0,1-30 кА) микросекундные и субмиллисекундные электронные пучки с высокой (1-100 Дж/см ) плотностью •энергии находят применение в различных технологических процессах, связанных с изменением структурного состояния и функциональных свойств поверхности материалов и изделий.

В импульсном электронном источнике со взрывоэмисионным катодом получены сильноточные (до 30 кА) микросекундные (до 5 мкс) электронные пучки с плотностью энергии до 20 Дж/см [1]. Для формирования интенсивных (до 300 А) субмиллисекундных (до 200 мкс) низкоэнергетических (до 20 кэВ)

'У

электронных пучков с плотностью энергии до 100 Дж/см разработаны импульсные электронные источники с плазменным катодом [2].

трансформации сильноточного электронного пучка круглого сечения с целью оптимизации конструкции электронного источника.

Фокусировка сильноточного электронного пучка при его транспортировке в ведущем аксиально-симметричном магнитном поле сопровождается потерями тока пучка, а на выходе из канала транспортировки электронного пучка трудно исключить эффекты, связанные с расширением пучка в магнитном поле соленоида. Поэтому представляет интерес моделирование управления распределением плотности тока пучка с помощью ферромагнитной вставки (цилиндрической или полой цилиндрической), расположенной за коллектором электронов [3].

В экспериментальной работе [4] обнаружено усиление тока эмиссии плазменного катода, которое объясняется вторичной ионно-электронной эмиссией с поверхности эмиссионного электрода. Представляет интерес создание аналитической модели токопрохождения пучка в системе с плазменным катодом с учетом формирования плазменного канала и вторичной ионно-электронной эмиссии с катодного электрода.

В предварительных экспериментах по генерации плотных субмиллисекундных электронных пучков в отсутствие внешнего магнитного поля получен низкоэнергетический электронный пучок с амплитудой тока до 1 кА и общей энергией в пучке 3,5 кДж [5]. Представляет интерес теоретическое исследование влияния условий формирования электронного пучка на его токопрохождение в протяженном канале транспортировки.

Цели и задачи исследования:

Целью данной диссертационной работы является теоретическое исследование и численное моделирований управления транспортировкой и распределением плотности тока низкоэнергетического интенсивного электронного пучка в плазменном канале.

Исходя из поставленной цели были сформулированы основные задачи диссертационной работы:

Научная новизна работы заключается в следующем:

Практическая значимость

Результаты, полученные в диссертационной работе, применялись при анализе экспериментальных результатов токопрохождения низкоэнергетических электронных пучков в плазменном канале в Институте сильноточной электроники СО РАН (г. Томск) и могут быть использованы при:

Апробация результатов

Основные результаты, полученные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры прикладной математики ИК ТПУ и доложены на следующих конференциях:

• VII (VII, IX) Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и современные информационные технологии», Томск, 2009г. (2010, 2011);

• III Российская научно-практическая конференция «Физико-технические проблемы получения и использования пучков заряженных частиц, нейтронов, плазмы и электромагнитного излучения» (с международным участием), Томск, 2009г;

• 16-й Международный симпозиум по сильноточной электронике, Томск, 19-24 сентября 20Юг;

• Всероссийская (с международным участием) конференция «Физика низкотемпературной плазмы» - Петрозаводск, 2011 г;

• XIV Latin American Workshop on Plasma Physics // held in Mar del Plata, Argentina, 2011;

• 3-й Международный конгресс по радиационной физике и химии конденсированных сред, сильноточной электронике и модификации материалов пучками заряженных частиц и потоками плазмы, Томск, 17-21 сентября 2012г;

• Международная конференция "Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах" - РТЭП 2012;

• IV Международный Крейнделевский семинар «Плазменная эмиссионная электроника», Республика Бурятия, 2012;

• Всевьетнамская научно-практическая конференция по «Фундаментальным и прикладным проблемам физики» - Нгхе Ан, Вьетнам, 2012;

• 11-я Международная конференция "Газоразрядная плазма и ее применения", Томск, 2013.

Публикации

Основные результаты работы опубликованы в 15 печатных трудах, включая 8 статьей в журналах, входящих в перечень ВАК, рекомендуемых для публикации основных результатов диссертаций на соискание ученых степеней кандидата наук, и 1 патент (Российской федерации).

Краткое содержание диссертации

В первой главе проведен краткий обзор экспериментальных и теоретических работ по формированию и транспортировке интенсивных электронных пучков в диодах, заполненных плазмой; описываются электронные источники сильноточного микросекундного пучка, субмиллисекундного интенсивного пучка и используемые методы моделирования транспортировки интенсивного низкоэнергетического электронного пучка в плазменных диодах этих источников.

С применением математических моделей проводится тестирование математических моделей и программ, исследуется влияние неоднородности плазменного канала на распределение плотности тока сильноточного электронного пучка.

Во второй главе проводится исследование трансформации слаборелятивистского сильноточного электронного пучка в аксиально-неоднородном магнитном поле, сформированном обратным токопроводом в виде плоских шин или шпилек, прикрепленных к коллектору-мишени. Моделирование проводится в условиях зарядовой нейтрализации (Модель I), что соответствует условиям эксперимента, и методом крупных частиц с использованием 2-х и 3-х мерных кодов КАРАТ (Модель II). Исследуется влияние токовой нейтрализации и геометрии обратных токопроводов, тока пучка и градиента ведущего магнитного поля на преобразование круглого сечения электронного пучка в квазипрямоугольное.

В третьей главе проводится численное исследование использования ферромагнитной вставки для фокусировки и управления распределением плотности тока пучка. Численно исследуется влияние геометрических размеров и свойств материала цилиндрических вставок (сплошной и полой) на распределение плотности пучка на коллекторе в аксиально-симметричном магнитном поле и в магнитном поле обратного токопровода. Проводится сравнение с экспериментом.

В четвертой главе проводятся оценки времени зарядовой нейтрализации электронного пучка и плотности плазменного канала. Методом крупных частиц с использованием кода КАРАТ (Модель II) исследуется транспортировка интенсивных электронных пучков в плазменном канале.

Теоретически исследуется влияние вторичной ионно-электронной эмиссии с поверхности эмиссионного электрода на токи в канале транспортировки.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы, представлен личный вклад автора, выражены благодарности.

В приложении представлены характеристики ферромагнитных материалов и таблицы расчетных автографов пучка от геометрических размеров ферромагнитных вставок.

Основные положения, выносимые на защиту:

2. Математическая модель и алгоритм расчёта фокусировки осесимметричного нерелятивистского интенсивного электронного пучка и перераспределения плотности тока (энергии) по его сечению с помощью ферромагнитной вставки, расположенной непосредственно за мишенью. Расчёты подтвердили возможность улучшения однородности распределения плотности энергии по сечению пучка путём подбора геометрии и магнитных свойств материала вставки.

3. Результаты численного моделирования (с применением PIC кода КАРАТ) транспортировки интенсивного электронного пучка в плазменном канале без внешнего магнитного поля. Радиально-неоднородное распределение плотности плазмы в канале обуславливает радиально неоднородное распределение плотности тока транспортируемого пучка.

4. Теоретическая модель, учитывающая баланс токов в плазменном канале, создаваемом электронным пучком, транспортируемым в слабом магнитном поле (когда циклотронная частота оос меньше частоты плазменных колебаний (ор). Теоретические зависимости подтвердили, что увеличение тока эмиссии в электронном источнике с плазменным катодом связано с ионно-электронной эмиссии с поверхности эмиссионного электрода.

Глава 1. Краткий обзор литературы и описание методики

расчетов

Низкоэнергетические (10-30 кэВ) интенсивные электронные пучки с высокой плотностью энергии находят примене�