Генерация и диагностика мощных ионных пучков в магнитно-изолированном диоде тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

«« ид

1 о ДПР

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ

ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ им. Г.И. Будкера

Ла правах рукописи

ДЕИЧУЛИ Петр Петрович

ГЕНЕРАЦИЯ И ДИАГНОСТИКА МОЩНЫХ ИОННЫХ ПУЧКОВ В МАГНИТНО-ИЗОЛИРОВАННОМ ДИОДЕ

01.04.20 - фиэика пучков ¡заряженных частиц и ускорительная техника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

НОВОСИБИРСК—1993

Работа выполнена в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения Российской Академии наук.

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

Федоров Владимир — доктор физико-математических наук,

Михаилович Институт ядерной физики

им. Г.И. Будкера СО РАН, г. Новосибирск.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

Оришич Анатолий — доктор фиоико-математических наук, ■

Митрофанович Новосибирский государственный

университет, г. Новосибирск.

Бурдаков Александр — кандидат физико-математических наук, Владимирович Институт ядерной физики

им. Г.И. Будкера СО РАН, г. Новосибирск.

Ведущая организация: Институт сильноточной электроники

СО РАН, г. Томск.

Защитдпнссертации состоится " (^С-СбЬ-гХ-^ 1993 г. в

" /г часов на заседании специализированного совета Д.002.24.02 пр!

Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН.

Адрес: 630090, г. Новосибирск-ЭО,

проспект академика Лаврентьева, 11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЯФ СО РАН.

Автореферат разослан 0- СЫЛ^уг^сХ 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета

академик " . Б.В. Чириков

0«г

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Актуальность исследований по получению мощных ионных пучков (МИП) обусловлена широкими возможностями, которые предоставляет их использование в различных областях физики и техники. Сильным стимулом для быстрого развития техники получения МИП явились появившиеся во второй половине 70-х годов программы по их использованию в инерциальном УТС (см. , например, [1]), а также работы по ионным инжекторам, по использованию МИП для изменения свойств материалов и для накачки лазеров. Такие особенности, как малая длина поглощения в средах и широкие возможности вариации состава (от протонов до тяжелых ионов) в ряде случаев обуславливают преимущества МИП перед другими импульсными источниками энергии, например, перед мощными релятивистскими электронными пучками (РЭП) или лазерным излучением.

С точки зрения получения предельно высоких мощностей при высокой эффективности наиболее перспективным оказалось генерирование МИП прямым ускорением в магнито-изолированных диодах (МИД). Этим методом достигнуты наибольшие на сегодняшний день параметры МИП. Данная работа посвящена исследованию одной из схем МИД - с радиальной геометрией изолирующего магнитного поля. Важным преимуществом этой схемы ускорения является возможность вывода пучка в свободное пространство.

Главные проблемы генерации МИП для УТС связаны с требованиями большой мощности при высокой эффективности, которая определяется эффективностью подавления электронного тока магнитной изоляцией. Эти требования в какой-то степени про-

тиворечат друг другу, т. к. достижимый уровень ионного тока в МИД тесно связан с распределением электронов в ускоряющем зазоре, а, следовательно, и с потерями энергии на электронный ток. Соотношение этих требований определяет проблему оптимальных условий для генерирования МИП. Другой сложной проблемой является диагностика ионных пучков большой мощности. Цель работы:

экспериментальное исследование физических закономерностей генерирования МИП в магнито-изолированном диоде с внешним изолирующим магнитнын полем радиальной геометрии;

- численный анализ мощного МИД с целью определения влияния энергетического и углового разброса в занагниченном электронном потоке на величину ионного тока, на эффективность магнитной изоляции и другие характеристики МИД;

- проверка корректности измерений плотности тока МИП методом

цилиндров Фарадея с магнитной изоляцией (ЦФМИ) при измерении в 2

области до 2 кА/сн .

Научная новизна. В результате проведенных исследований получены импульсные пучки протонов с энергией частиц 0,3+0, 6 МэВ,

2

током 120 кА л плотностью тока в ускоряющем зазоре кА/см

с возможностью вывода пучка в свободное пространство. Найдены

оптимальные условия для устойчивой работы МИД с радиальным

магнитным полем.

Экспериментально проверена корректность измерений ЦФМИ при

2

плотностях ионного тока до 2 кА/см .

Численным анализом решена задача определения плотности ионного тока в зазоре с замагниченными электронами и неограниченной встречной эмиссией электронов и ионов с при различных предположениях об электронном распределении. Показано, что сравнительно небольшой разброс может быть причиной утечки электронов на анод, при выполненном с запасом условии магнитной изоляции. Показано, что учет энергетического или углового разброса электронов приводит к заметному выигрышу по уровню плотности ионного тока и к лучшему соответствию между теорией и экспериментальными результатаними по генерации МИП.

Практическая ценность. В проведенных экспериментах отработана техника стабильного получения в вакуумном диоде МИП с энергетической эффективностью ** 60%. Проведенные исследования

позволяют лучше понять процессы, происходящие в мощном магнито-изолированном диоде, предоставляют хорошие возможности воздействия на режим работы МИД с радиальной геометрией магнитной изоляции и на характеристики получаемого НИП. Результаты исследований полезны также для диагностики НИП.

Апробация работы. Результаты работы докладывались: на Всесоюзном совещании по плазменной электронике (Томск, 19S5); на Всесоюзной конференции по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу (Звенигород, 1986); на Всесоюзных симпозиумах по сильноточной электронике (Томск, 198В, 1988); на VIII Международной конференции по мощным пучкам заряженных частиц (Новосибирск, 1990).

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Текст диссертации содержит 98 страниц, в том числе 25 рисунков. 3 таблицы. В списке литературы 52 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко описаны основные конфигурации мощных магнито-изолированных диодов и обсуждаются проблемы исследований по генерации и диагностике МИП. Сформулированы цели и задачи данной работы. Приведено краткое содержание диссертационной работы по главам.

В главе 1 описана экспериментальная установка и средства диагностики. В экспериментах источником мощного наносекундного импульса для МИД служил генератор Б0ДА1-10 - коаксиальная линия Блюмлайна с водяной изоляцией. Характерные параметры импульса: амплитуда падающей волны напряжения 0,7-0,8 МВ, ток нагрузки <* 200 кА, длительность импульса =* 80 не.

Конструкция МИД с радиальным магнитным полем изображена на

рис. 1. Основное поле магнитной изоляции создается двумя

катушками, встроенными в заземленным катодный электрод.

ускоряющий зазор между катодной и анодной магнитными

поверхностями составлял 3+5 мм. Генерируемый ионный пучок имеет

вблизи катода кольцевое сечение (внешний диаметр 180 мм, площадь 2

сечения 120 см ), далее, через полость в катодном электроде НИП выводится в экспериментальную камеру.

Эффективность и устойчивость работы МИД в большой степени

Рис. 1. Вакуумный диод и дрейфовая камера генератора В0ДА1-10.

I , 1.+1. - пояса Роговского; и - емкостной делитель О д 1 4 Д

напряжения; ^ - катушки поля Н2-

зависит от детальной конфигурации поля магнитной изоляции. В главе описаны расчеты конфигурации поля для реальной конструкции МИД с учетом конечного скин-эффекта. В схему создания магнитного поля заложена возможность изменять его конфигурацию, меняя распределение токов в обмотках, а также, нагадывая малое постоянное магнитное поле от дополнительных обмоток на импульсное основное поле. В разделе 1. 4 описаны использовавшиеся средства диагностики МИП.

Глава 2 посвящена анализу работы МИД в модели слаборассеянных электронов. В начале главы описаны физические процессы в мощном МИД. В начале импульса в МИД происходит образование слоев анодной и катодной плазмы, совпадающих по форме с соответствующими магнитными поверхностями - см. рис.1. Как показали измерения распределения плотности тока в МИД анодная плазма расширяется вдоль Н за пределы рабочей поверхности анода с характерной 7

скоростью - 10 см/с, скорость катодной плазмы вдоль Н на порядок выше.

В МИД всегда возникает интенсивеный дрейфовый электронный поток в скрещенных полях Е и Н, где Е - продольное ускоряющее поле, Н - поперечное поле магнитной изоляции. Свойствами этого потока определяются характеристики МИД. (В исследуемой геометрии дрейфовый ток замкнут в азимутальном направлении). Уход электронов из дрейфового потока на анод, возможный по различным причинам, обуславливает ток утечки, снижающий эффективность МИД. Распределение заряда и плотности дрейфового тока задают картину электрических и магнитных полей и определяют плотность ионного тока в ускоряющем зазоре. В реальном эксперименте электроны в замагниченном потоке имеют разброс по энергии и направлениям импульсов. В п. 2.3 анализируются возможные следствия этого разброса. В исследованиях, посвященных МИД, этот вопрос не затрагивается (например, модель Берджерона с однородным, моноэнергетическим потоком [2], или модель бриллюэновского потока [3], в которой постулируется, что электроны движутся строго в направлении дрейфа).

Результаты численного моделирования приведены в п.2.3.3. Грубой имитацией разброса служило разбиение электронов на группы с различными начальными значениями энергии и импульса. Искусственно задаваемое распределение позволяло целенаправленно воз-

- однородное распределение, к; =1,6.

—— модель слабо-рассеянных электронов, к; =2,72.

Рис, 2. Распределение полей Е, Н 6 ЭиоЭнои зазоре при оЭинакобых замагниченностях Кн.

действовать на распределение полей в ускоряющем зазоре и анализировать их влияние на ионный ток. При этом, методом "пробных" частиц анализировалась возможность утечки электронов на анод. Пример распределения полей Е и Н при наличии разброса и при моноэнергетическом однородном электронном потоке дан на рис.2. Основными результатами численного моделирования являются следующие: 1) достижимая плотность ионного тока заметно выше, чем при однородном распределении; 2) появляется механизм утечки электронного тока, связанный с рассеянием; 3) оптимальные для генерации МИП величины изолирующего магнитного поля в этом случае оказываются смещенными в сторону более высоких значений, по сравнению с однородным распределением, что луч!..* согласуется с экспериментальными данными. Заметим, что в [4] несоответствие между экспериментальным и теоретическим значением оптимального магнитного поля обьясняется технологическим несовершенством изготовления и сборки.

В п.2.4. приведены результаты расчетов перестройки исходного поля магнитной изоляции дрейфовым током в мощном МИД и ее особенности для геометрии с полым катодом. В общем случае в задаче присутствуют 3 временных масштаба, с резко различающимися размерами скин-эффекта: постоянное поле, основное поле магнитной изоляции с характерными временами * 100 мкс и поле дрейфовых токов с характерными временами = 10 не. Для анализа МИД удобным и плодотворным оказалось использование уравнения баланса сил [5], которое задает связь распределения ионного тока с давлением магнитного поля и, следовательно, с электронным дрейфовым током в магнито-изолированном зазоре. На основе экспериментально измеренных распределений ^ было рассчитано магнитное поле во время мощного импульса и определен дрейфовый электронный ток в МИД. Полученная фактическая конфигурация магнитных поверхностей позволяет количественно определить влияние смещения катодной магнитной поверхности и краевых эффектов, возникающих при перестройке поля на работу МИД.

Рис. 3 демонстрирует, как с ростом дрейфового тока I катодная магнитная поверхность смещается к аноду, оставаясь привязанной к катодным, кромкам на краях.

Расчеты показали, что перепад магнитных давлений в ускоряющем зазоре в МИД с полым катодом обеспечивается практически только за счет роста Нд, величина Нк снижается незначительно - в противоположность МИД со сплошнын катодом. После формирования

дрейфового электронного потока, вместо начального зазора <3' ус* * 2 танавливается зазор сГ . Из расчетов следует, что фактор I(З^^/с! )

для мощных МИД (с 3 кА/см2) может составлять несколько де-

сятков.

В главе 3 описаны исследования по генерации и диагностике МИП. В начале главы (разд. 3. 1 и 3.2) описаны эксперименты по поиску условий устойчивой и эффективной работы МИД. Изначальная проблема была связана с ранними закоротками магнитоизолирован-ного зазора. Чтобы достичь устойчивой работы МИД потребовалось прежде всего обеспечить точность относительной сборки анодного и катодного узлов не хуже О.05 мм. Измерения набором ЦФМИ показали, что в этом случае пучок макроскопически азимутально симметричен. Другим фактором, влияющим на стабильность МИД по отношению к быстрым закороткам зазора, является профиль анодной по-

Рис.3. КшпоЗная магнитная поверхность при различных значениях электронного Эрейц>о6ого пока 1р. Приведены значения Ня и Нц на раЗиусе г=8с».

верхности. Хорошую стабильность обеспечивал профиль (см. рис.1), когда кольцевая рабочая площадка анода имеет внешний и внутренний радиусы лежащие внутри катодных кромок н Е2 и возвышается

на 1 мм над поверхностью анода. В экспериментах была получена

2

стабильная генерация МИП с плотностью тока - 1 кА/см , в режимах с обострением плотности тока на внешнем радиусе пучка ^ достигала 1,3-2 кА/см . Полный ток МИП составлял 100-120 кА вблизи катода, что соответствует эффективности ~ 50-60%.

В соответствием с изложенным в п.2.2 диссертации для МИД с Н_-полен характерно обострение ^ на внешнем радиусе пучка. В наших экспериментах была продемонстрирована возможность управления распределением ]^(г) за счет изменения конфигурации магнитного поля в ускоряющем зазоре. Отношение Н1/Н2 изменялось от выстрела к выстрелу, каждая точка распределения ].(г) получена

усреднением по серии выстрелов. При отношении полей около 1,6 распределение близко к однородному, при еще больших значе-

ниях Н1/Н2 получен профиль обратный естественному для МИД с Нг~полем: ^(г) обостряется на внутреннем радиусе.

При пассивном создании анодной плазмы (за счет поверхностного пробоя и облучения анода электронами утечки) для формирования плазмы с эмиссионной способностью £ О, 1 кА/см преобладающей (по сравнению с ролью поверхностного пробоя) оказалась роль электронного тока утечки. Это коррелирует с результатами исследований [6]. В наших экспериментах было исследовано влияние конфигурации поля магнитной изоляции на уровень электронного тока утечки. Изменение конфигурации осуществлялось наложением на основное поле слабого постоянного продольного поля Н2> величина которого варьировалась от выстрела к выстрелу от -500 до +500 Э. При конфигурации, наиболее благоприятной для изоляции электронов, ток утечки существенно снижался. При этом задержка появления ионного тока возрастала до 30 не, а величина ^ в первой половине импульса была меньше чайлд-ленгмюровской, т. е. ограничивалась недостаточной плотностью анодной плазмы. После наработки достаточно плотной плазмы величина ^ более чем на порядок

превышала (вычисленную по начальному зазору) и составляла

Р lC.Lt

1+2 кА/см . Можно оценить для наших экспериментов дозу облучения

2

анода электронами для обеспечения эмиссии = 0,1 кА/см величиной

2 2 =< 6 кА.нс/см , для эмиссии на уровне * 1 кА/см доза облучения

2

оценивается в ^ 20 кА. нс/см . Таким образом, слишком хорошая изоляция электронов препятствует созданию плотной анодной плазмы и ограничивает Радикальным решением проблемы является активное создание анодной плазмы. В наших эксперментах использовался более простой путь - выбор оптимальной конфигурации магнитного поля и оптимального значения замагниченности к„.

п

Раздел 3. 4 главы посвящен проверке метода цилиндров Фарадея

с поперечным магнитным полем (ЦФМИ) при плотностях тока до 2 2

кА/см . В условиях компенсации тока и заряда МИП метод ЦФМИ остается почти единственным способом измерений плотности тока. Ввиду неизученности вопроса о пределах применимости метода, для нас был важна проверка корректности измерений. В разделе проанализированы факторы, влияющие на правильность измерений, такие как образование плазмы на токоприемнике и стенках входного от-

верстия, вторичные электроны, электрические поля, возникающие в датчике при разделении зарядов, рассыпание МИП между входным отверстием и токоприемником под действием собственного заряда. Экспериментальное исследование условий проявления и степени влияния этих факторов в датчиках различных конструкций позволило контролировать правильность измерений и определить требования к конструкции датчиков.

Как независимый дополнительный контроль измерений ЦФМИ можно было использовать измерения полного тока МИП (поясами Ро-говского и магнитными зондами) на участке транспортировки с сильным поперечным магнитным полем, где мала токовая компенсация МИП.

Одна из главных причин неприменимости ЦФМИ при . £ 3+5

2

кА/см связана с растущими эффектами пространственного заряда ионов. Поскольку эти эффекты определяются лишь абсолютной величиной тока пучка в датчике и независят от плотности тока, кажется привлекательной возможность снизить их нежелательные последствия, уменьшая входное отверстие ЦФМИ. Эта возможность исследована в разделе 3. 5. Исследовались ЦФМИ с диаметрами входных отверстий Ь до 0, 1 мм (при уменьшении диаметра пропорционально уменьшалась длина канала отверстия). При Ь = О, 5 мм начинают

проявляться нарушения измерений, датчики с отверстием Ь г О, 2 мм

2

практически неприменимы при £ 0,5 кА/см из-за сильного нарушения измерений, которое наступает тем раньше, чем меньше диаметр Ь. Описанные в разделе экспериментальные исследования и анализ показали, что в этом случае ограничивающим фактором является эффект "заплывания" входного отверстия под действием МИП.

В заключении перечислены основные результаты, полученные в работе:

1. Получена стабильная генерация мощных импульсных пучков

2

протонов с полным током 120 кА, плотностью тока 1-1,5 кА/см , энергией частиц 0,3+0,6 МэВ, эффективность диода "

60%, длительность импульса 60 не.

2. В МИД с радиальным магнитным полем продемонстрирована возможность эффективно управлять распределением плотности ионного тока по сечению пучка, изменяя конфигурацию магнитного поля, получены пучки как с однородным рапредэлением плотности по

сечению, так и с обострением на внутреннем или на внешнем радиусе.

3. Исследованы факторы, влияющие на корректность измерений

плотности ионного тока цилиндрами Фарадея с магнитной изоляцией.

Показано, что этот метод применим при доступных в наших экспе-

2

риментах плотностях тока МИП до 2 кА/см . Обнаружено, что датчик с входным отверстием з о,5+0,3 мм заметно искажает форму сигнала, а отверстие диаметром ^ О,2 мм не способно пропускать ток с 2

^ 1 кА/см даны рекомендации по оптимальной конструкции датчика

4. Численным моделированием найдены предельные значения плотности тока в МИД в плоском, квазистационарном приближении, с учетом конечного разброса в электронном потоке по начальному импульсу (модель слаборассеянных электронов). Найденые уровни ионного тока и оптимальные значения магнитного поля заметно выше по сравнению с результатом Берджерона для однородного электронного потока и находятся в лучшем соответствии с экспериментальными данными.

Обнаружено, что сравнительно небольшой разброс может быть одной из причин наблюдающихся в экспериментах потерь электронов на анод при выполненном условии магнитной изоляции.

5. Численным моделированием определена реальная конфигурация магнитного поля во время генерации КИП. Перестройка магнитного поля сопровождается сильными краевыми эффектами, что может

обусловить дополнительнчй угловой разброс в МИП. Определены зна-* 2

чения фактора (с^с! ) (смещение катодной магнитной поверхности к аноду при перестройке поля), которые в мощных МИД могут составлять несколько десятков, что в значительной степени объясняет высокие значения З^/^сц полученные в экспериментах.

Основные результаты диссертации изложены в работах [5,7+9].

ЛИТЕРАТУРА

1. Yonas G. Achievements and challenges in particle beam fusion research. - Proc. of the Intern. Topical Conference on High Power Electron and Ion Beams. Novosibirsk, 1979, v.2, p.390.

2. Bergeron K.D. Two-species flow in relativistic diodes near the critical field for magnetic insulation. - Appl. Phys. Lett., 1976, V.28, N. 6, p.306.

3. Desjarlais M.P. Theory of applied-B ion diodes. - Phys. of Fluids, 1989, Bl, N. 8, p.1709. .

4. Humphries S., Jr., Intense pulsed ion beams for fusion applications. - Nuclear Fusion, 1980, v.20, p.1549.

5. Fedorov V.M., Deichuli P.P. "The limitation of the ion current density in high power magnetically insulated diodes. Proc. of the 8th Int. Conf. On High-Power Particle Beams, Novosibirsk, 1990, v.l, p.215.

6. Быстрицкий В. M. , Диденко A. H. , Красин Я. E. , Матвиенко В. М. Генерация мощного ленточного ионного пучка в диоде с самоизоляцией. - Физика Плазмы, 1985, т. 11, N. 9, с. 1057.

7. Дейчули П. П. , Федоров В. М. Ускорение ионов в диоде с радиальным магнитным полек. - Всесоюзн. симпозиум по сильноточной электронике. Томск, 1986, ч. 1, с. 166.

8. Дейчули П.П., Федоров В. М. результаты по генерации мощных ионных пучков в МИД с внешним полем Н^. - Всесоюзн. симпозиум по сильноточной электронике. Томск, 1988, ч. 2, с. 112.

9. Deichuli P.P., Fedorov V.M. Intense ion beam generation in MID with Hr~field. Proc. of the 8th Int. Conf. On High-Power Particle Beams, Novosibirsk, 1990, v.l, p.469.