[go: up one dir, main page]

RU2288553C2 - Gas-filled diode with external magnetic insulation - Google Patents

Gas-filled diode with external magnetic insulation Download PDF

Info

Publication number
RU2288553C2
RU2288553C2 RU2004112850/06A RU2004112850A RU2288553C2 RU 2288553 C2 RU2288553 C2 RU 2288553C2 RU 2004112850/06 A RU2004112850/06 A RU 2004112850/06A RU 2004112850 A RU2004112850 A RU 2004112850A RU 2288553 C2 RU2288553 C2 RU 2288553C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
anode
ion
diode
turns
dielectric
Prior art date
Application number
RU2004112850/06A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2004112850A (en
Inventor
Иван Фалалеевич Исаков (RU)
Иван Фалалеевич Исаков
Валерий Степанович Лопатин (RU)
Валерий Степанович Лопатин
В чеслав Анатольевич Макеев (RU)
Вячеслав Анатольевич Макеев
Геннадий Ефимович Ремнев (RU)
Геннадий Ефимович Ремнев
Андрей Владимирович Степанов (RU)
Андрей Владимирович Степанов
Эдвин Гугович Фурман (RU)
Эдвин Гугович Фурман
Владислав Александрович Тарбоков (RU)
Владислав Александрович Тарбоков
Original Assignee
Государственное научное учреждение "Научно-исследовательский институт высоких напряжений при Томском политехническом университете"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Государственное научное учреждение "Научно-исследовательский институт высоких напряжений при Томском политехническом университете" filed Critical Государственное научное учреждение "Научно-исследовательский институт высоких напряжений при Томском политехническом университете"
Priority to RU2004112850/06A priority Critical patent/RU2288553C2/en
Publication of RU2004112850A publication Critical patent/RU2004112850A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2288553C2 publication Critical patent/RU2288553C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Electron Sources, Ion Sources (AREA)
  • Particle Accelerators (AREA)

Abstract

FIELD: acceleration engineering.
SUBSTANCE: proposed gas-filled diode with external magnetic insulation has annular anode and cylindrical cathodes, two cumulatively connected concentric coils disposed beyond external and internal radii of cylindrical cathodes, and power supply. Emissive surface of anode is provided with annular grooves coated with insulating material or with insulating inserts. Anode is made of high-conductivity material; turn number in windings W1 and W2 and radii centers of their ampere-turns R1 and R2 are disposed symmetrically to anode emissive surface, and their ratio is W1·R1 = W2·R2.
EFFECT: enhanced stability of generated pulses.
3 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к ускорительной технике и предназначено для генерации ионных пучков с последующим их использованием для модификации поверхности различных материалов, генерирования нейтронных вспышек и т.д.The invention relates to accelerator technology and is intended for the generation of ion beams with their subsequent use to modify the surface of various materials, generate neutron flares, etc.

Известны несколько различных схем ионных диодов (Патент RU 96113837, МПК 6 Н 05 Н 5/00 от 1997.11.20), в которых предварительную наработку плазмы на поверхности анода производят за счет двухимпульсного режима, электрического пробоя по поверхности диэлектрического покрытия анода (Nakagama Y., Ariyosh Т. // Rev. Sci. Justr. 1990, 61(1). Р.529-531) или инжекции газовой струи перед формированием ускоряющего импульса в диоде (Mekay P.F., Bieg К.W., Olson R.E., et al // Rev. Sci. Justr. 1990, 61(1). Р.559-561). Для подавления электронной компоненты полного тока в ускоряемом промежутке ионного диода создают поперечное магнитное поле относительно вектора напряженности электрического поля.Several different schemes of ionic diodes are known (Patent RU 96113837, IPC 6 Н 05 Н 5/00 dated 1997.11.20), in which preliminary plasma production on the anode surface is performed due to the double-pulse mode, electrical breakdown on the surface of the dielectric coating of the anode (Nakagama Y. , Ariyosh T. // Rev. Sci. Justr. 1990, 61 (1) P.529-531) or injection of a gas jet before the formation of an accelerating pulse in a diode (Mekay PF, Bieg K.W., Olson RE, et al // Rev. Sci. Justr. 1990, 61 (1) P.559-561). To suppress the electronic component of the total current in the accelerated gap of the ion diode, a transverse magnetic field is created relative to the electric field vector.

К недостаткам этих устройств относится то, что повторяемость и стабильность параметров генерируемого ионного пучка от импульса к импульсу определяется однородностью инжекции газовой струи относительно поверхности анода или однородностью образования плазмы при поверхностном пробое диэлектрика анода, требуется синхронизация во времени многих процессов и исполнительных механизмов, что снижает надежность этих устройств.The disadvantages of these devices include the fact that the repeatability and stability of the parameters of the generated ion beam from pulse to pulse is determined by the uniformity of the gas jet injection relative to the anode surface or the uniformity of plasma formation during surface breakdown of the anode dielectric, and many processes and actuators must be synchronized in time, which reduces the reliability these devices.

Наиболее близким к заявляемому устройству является выбранный нами за прототип ионный диод с внешней магнитной изоляцией, описанный в (Davis H.A., Johnston G.P., Olson J.С. et. al. // Appl. Phys. 1999, vol.85(2). Р.713-721), состоящий из двух концентрических катушек, которые расположены у поверхности кольцевого анода. В скрещенном магнитном и электрическом полях электроны в предварительно образованной плазме совершают замкнутый дрейф параллельно поверхности анода, а ионы ускоряются в промежутке диода на небольшом участке ларморовой окружности, и в последующем пространстве дрейфа образуют кольцевой ионный пучок.Closest to the claimed device is our chosen prototype ion diode with external magnetic isolation, described in (Davis HA, Johnston GP, Olson J.C. et. Al. // Appl. Phys. 1999, vol. 85 (2). R.713-721), consisting of two concentric coils, which are located at the surface of the annular anode. In a crossed magnetic and electric field, electrons in a preformed plasma make a closed drift parallel to the surface of the anode, and ions are accelerated in the gap of the diode in a small section of the Larmor circle, and in the subsequent drift space form a ring ion beam.

Недостатком данного ионного диода является неоднородность образованной плазмы в радиальном сечении диода и значительная локальная эрозия поверхности диэлектрика по краям анода т.к. плазма на поверхности диэлектрика образуется в основном за счет скользящего разряда, инициируемого при бомбардировке диэлектрической вставки анода электронами, эмитированными с острых краев катодных колец. КПД прототипа не превышает 15-25%. Кроме того, при данном способе плазмообразования требуются дополнительные меры по обеспечению повышенной точности установки диодного зазора для обеспечения однородности плазмы в азимутальном направлении.The disadvantage of this ion diode is the heterogeneity of the formed plasma in the radial section of the diode and significant local erosion of the surface of the dielectric along the edges of the anode since the plasma on the surface of the dielectric is formed mainly due to the creeping discharge initiated during the bombardment of the dielectric insert of the anode by electrons emitted from the sharp edges of the cathode rings. The efficiency of the prototype does not exceed 15-25%. In addition, with this method of plasma formation, additional measures are required to ensure increased accuracy of the installation of the diode gap to ensure plasma uniformity in the azimuthal direction.

Основным техническим результатом изобретения является повышение стабильности генерируемых импульсов ионного тока за счет более равномерного плазмообразования на поверхности анода и увеличение КПД преобразования электрической энергии, запасенной в накопителе, в кинетическую энергию ионного пучка. Предложенный ионный диод позволяет по сравнению с прототипом увеличить КПД не менее чем до 60%.The main technical result of the invention is to increase the stability of the generated ion current pulses due to a more uniform plasma formation on the surface of the anode and an increase in the efficiency of conversion of the electric energy stored in the drive into the kinetic energy of the ion beam. The proposed ionic diode allows, in comparison with the prototype, to increase the efficiency by at least 60%.

Технический результат предложенного решения достигается тем, что в ионном диоде с внешней магнитной изоляцией, содержащем кольцевой анод и цилиндрические катоды, две концентрические согласно включенные катушки, размещенные за внешним и внутренним радиусами цилиндрических катодов, и импульсные источники питания, согласно предложенному решению эмиссионная поверхность анода снабжена кольцевыми канавками с диэлектрическим покрытием или диэлектрическими вставками, анод выполнен из высокопроводящего материала, а числа витков в обмотках W1 и W2 и центры радиусов их ампервитков R1 и R2 расположены симметрично относительно эмиссионной поверхности анода и соотносятся как W1·R1=W2·R2.The technical result of the proposed solution is achieved by the fact that in an ion diode with external magnetic insulation containing a ring anode and cylindrical cathodes, two concentric according to the included coils located behind the outer and inner radii of the cylindrical cathodes, and switching power supplies, according to the proposed solution, the emission surface of the anode is equipped ring grooves with a dielectric coating or dielectric inserts, the anode is made of highly conductive material, and the number of turns in the winding W 1 and W 2 and the centers of their ampere-turns radii R 1 and R 2 are arranged symmetrically with respect to the emission surface of the anode and W at the ratio of 1 · R 1 = W 2 · R 2.

Кроме того, поверхность анода с диэлектрическим покрытием образует сферическую поверхность с центром на оси симметрии ионного диода и содержит больше двух концентрических катушек, равномерно распределенных вдоль эмиссионной поверхности анода.In addition, the surface of the anode with a dielectric coating forms a spherical surface centered on the axis of symmetry of the ion diode and contains more than two concentric coils uniformly distributed along the emission surface of the anode.

Целесообразно цилиндрические катоды снабжать короткозамкнутыми витками из материала с высокой электропроводностью, причем за короткозамкнутыми витками расположена сетка или радиально стоящие пластины по сечению ионного пучка.It is advisable to provide cylindrical cathodes with short-circuited turns of a material with high electrical conductivity, and behind the short-circuited turns there is a grid or radially standing plates along the cross section of the ion beam.

Пример конкретного выполненияConcrete example

На фиг.1 приведено осевое сечение конического ионного диода с внешней магнитной изоляцией, на фиг.2 - осевое сечение сферического ионного диода, на фиг.3 - ход силовых линий магнитного поля без проводящих короткозамкнутых магнитных витков (экранов) и при их наличии, а также распределение силовых линий электрического поля при отсутствии облака электронов и его наличии в анод-катодном промежутке, на фиг.4 - приведены эпюры напряжения и токов, на фиг.5 - фотография катодного узла со стороны анода.Figure 1 shows the axial section of a conical ion diode with external magnetic insulation, figure 2 - axial section of a spherical ion diode, figure 3 - the course of the magnetic field lines without conductive short-circuited magnetic coils (screens) and, if any, and also the distribution of the electric field lines in the absence of an electron cloud and its presence in the anode-cathode gap, in Fig. 4 are diagrams of voltage and currents, in Fig. 5 is a photograph of the cathode assembly from the anode side.

Ионный диод (фиг.1) состоит из кольцевого анода 1, который выполнен из материала с высокой электрической проводимостью: меди, алюминия; кольцевой анод 1 снабжен кольцевыми канавками, залитыми диэлектриком 2, образующим эмиссионную поверхность ионного диода, кольцевой анод 1 с кольцевым электродом 3 крепится к высоковольтному электроду 4 ускорителя. Напротив кольцевого анода расположены катоды: внешний 5 и внутренний 6, выполненные из материала с большим удельным сопротивлением: титана, нихрома, нержавеющей стали. Внешний катод 5 крепится к опорному диску 7, а внутренний 6 с помощью шпилек 8 и короткозамкнутого кольца 9, диска 10 из хорошо проводящего материала также крепится к опорному диску 7.The ion diode (figure 1) consists of a ring anode 1, which is made of a material with high electrical conductivity: copper, aluminum; the annular anode 1 is equipped with annular grooves filled with a dielectric 2, forming the emission surface of the ion diode, the annular anode 1 with the annular electrode 3 is attached to the high-voltage electrode 4 of the accelerator. Opposite the ring anode are the cathodes: external 5 and internal 6, made of a material with high resistivity: titanium, nichrome, stainless steel. The outer cathode 5 is attached to the supporting disk 7, and the inner 6 is attached to the supporting disk 7 using studs 8 and a short-circuited ring 9, a disk 10 of well-conducting material.

Катушки для создания магнитного поля: внешняя 11 и внутренняя 12 расположены в диэлектрических каркасах 13 и 14. Вывод обмотки внутренней катушки 12 имеет контакт с катодом 6, а другой вывод обмотки через полую шпильку 8 подключен к обмотке внешней катушки 11, второй вывод которой идет к импульсному источнику питания, ток которого создает магнитное поле. Ионный диод помещен в вакуумную камеру 15, относительно которой крепится опорный диск 7 и обеспечиваются цепи токов катодов 5, 6. На короткозамкнутом кольце 9 устанавливается сетка 16 с высокой геометрической прозрачностью, которая перекрывает сечение ионного пучка. На фиг.1 дополнительно обозначено: Z - ось симметрии ионного диода; Z1 - оптическая ось ионного пучка, R1, R2 - радиусы центров ампервитков обмоток катушек 11 и 12; d - положение кромки катода 5 относительно эмиссионной поверхности анода 1; F0, F1, F2, F3 - фокусные расстояния; α - угол при вершине конуса, образуемого ионным пучком.Coils for creating a magnetic field: external 11 and internal 12 are located in dielectric frames 13 and 14. The output of the winding of the internal coil 12 is in contact with the cathode 6, and the other output of the winding through the hollow pin 8 is connected to the winding of the external coil 11, the second output of which goes to switching power supply, the current of which creates a magnetic field. The ion diode is placed in a vacuum chamber 15, relative to which the supporting disk 7 is mounted and the cathode current circuits 5, 6 are provided. A grid 16 with high geometric transparency is installed on the short-circuited ring 9, which overlaps the cross section of the ion beam. Figure 1 is additionally indicated: Z is the axis of symmetry of the ion diode; Z 1 is the optical axis of the ion beam, R 1 , R 2 are the radii of the centers of the ampere-turns of the windings of the coils 11 and 12; d is the position of the edge of the cathode 5 relative to the emission surface of the anode 1; F 0 , F 1 , F 2 , F 3 - focal lengths; α is the angle at the apex of the cone formed by the ion beam.

При применении сферического ионного диода (фиг.2) оптическая ось ионного пучка направлена по радиусу R и фокус F0 выражен в точку на оси Z, а поверхность анода имеет сферическую форму. Для формирования более равномерной плотности линий магнитного поля вдоль сферической поверхности анода в плоскости симметрии R устанавливается дополнительная катушка в слабопроводящих экранах - катодах или несколько катушек симметрично относительно плоскости симметрии R ионного пучка. Этим обеспечивается большая площадь эмиссионной поверхности и равномерность распределения плотности тока по сечению генерируемого ионного пучка.When using a spherical ionic diode (figure 2), the optical axis of the ion beam is directed along the radius R and the focus F 0 is expressed in a point on the Z axis, and the surface of the anode has a spherical shape. To form a more uniform density of magnetic field lines along the spherical surface of the anode in the plane of symmetry R, an additional coil is installed in weakly conducting screens - cathodes or several coils symmetrically with respect to the plane of symmetry R of the ion beam. This ensures a large emission surface area and a uniform distribution of current density over the cross section of the generated ion beam.

На фиг.3 показан ход силовых линий магнитного поля 17 (пунктирные линии) катушек 11, 12 в свободном от проводящих поверхностей пространстве, а при наличии проводящего анода и короткозамкнутых витков 9, 10 силовыми линиями 18. Пунктирными линиями 19 показано распределение силовых линий напряженности электрического поля при отсутствии электронного облака, а сплошными линиями 20 - при наличии электронного облака дрейфующих электронов 21 (заштрихованная область) между силовыми линиями магнитного поля 18. 22 - следы дрейфующих электронов на диэлектрике каркаса 13, 14 катушек 11, 12. Кружками 23 показано направление токов в катушках 11,12, а 24 - в теле анода 1 и короткозамкнутых кольцах 9, 10. Vi - направление скорости ионов.Figure 3 shows the course of the magnetic field lines 17 (dashed lines) of the coils 11, 12 in a space free of conductive surfaces, and in the presence of a conductive anode and short-circuited turns 9, 10 by force lines 18. Dotted lines 19 show the distribution of electric field lines field in the absence of an electron cloud, and solid lines 20 - in the presence of an electronic cloud of drifting electrons 21 (shaded area) between the lines of force of the magnetic field 18. 22 - traces of drifting electrons on a dielectric Arkása 13, 14, coils 11, 12. The circles 23 indicate the direction of the currents in the coils 11,12, and 24 - in the body of the anode 1 and short-rings 9, 10. V i - direction of the ion velocity.

На фиг.4 приведены эпюры напряжения на аноде 25 и токов: 26 - общего тока ускорителя, 27 - ионного тока диода. Кривой Uxx показан потенциал анода в режиме холостого хода.Figure 4 shows the plot of the voltage at the anode 25 and currents: 26 - the total current of the accelerator, 27 - the ion current of the diode. The U xx curve shows the anode potential in idle mode.

Принцип работы ионного диода с внешней магнитной изоляцией следующий: на последовательно согласно включенные катушки 11 и 12 подается импульс напряжения, например, путем разряда емкости. При достижении величины тока в катушках 11, 12, достаточной для обеспечения условияThe principle of operation of an ion diode with external magnetic insulation is as follows: a voltage pulse is applied to the coils 11 and 12 connected in series, for example, by discharging a capacitance. Upon reaching the current in the coils 11, 12, sufficient to provide the conditions

Δ≤dA-K,Δ≤d AK ,

где Δ - толщина слоя, в котором электроны движутся при наличии скрещенных электрического и магнитного полей,where Δ is the thickness of the layer in which the electrons move in the presence of crossed electric and magnetic fields,

dA-K - зазор между анодом и катодом;d AK is the gap between the anode and cathode;

подается импульс высокого напряжения на анод от высоковольтного генератора ускорителя.a high voltage pulse is supplied to the anode from the high-voltage generator of the accelerator.

Величина А определяется из выражения:The value of A is determined from the expression:

Figure 00000002
Figure 00000002

где Δ - толщина электронного слоя,where Δ is the thickness of the electronic layer,

me - масса электрона,m e is the mass of the electron,

В - индукция магнитного поля в области дрейфа,B - magnetic field induction in the drift region,

E - напряженность электрического поля,E - electric field strength,

VII - составляющие скорости электрона в направлении векторов В и E в момент инжекции из взрывоэмиссионной плазмы.V II are the components of the electron velocity in the direction of the vectors B and E at the time of injection from the explosive emission plasma.

В момент времени t1 происходит взрывная эмиссия с острых кромок катодов 5, 6 и электроны взрывоэмиссионной плазмы начинают дрейфовать в плоскости силовых линий магнитного поля 18 параллельно поверхности кольцевого анода 1. Ток ионного диода до момента времени t2 имеет только емкостную составляющую, связанную с накоплением заряда в электронном облаке 21, напряжение на кольцевом аноде 1 повышается в условиях, близких к холостому ходу ускорителя (импеданс нагрузки значительно превышает выходное волновое сопротивление высоковольтного генератора ускорителя). Напряженность электрического поля растет и увеличивается толщина Δ слоя дрейфующих электронов. Электроны движутся в слое, параллельном кольцевому аноду 1, со средней скоростью V=Е/В по циклоидам, вершины которых направлены в сторону эмиссионной поверхности кольцевого анода 1, и в момент времени t2 начинают касаться диэлектрика и кольцевых выступов металла кольцевого анода 1, нарабатывая плазму. Чередование областей диэлектрика и металла при наличии кольцевых канавок на поверхности анода на пути дрейфа электронов способствует более однородному плазмообразованию по всей поверхности кольцевого анода 1. При этом скорость электронов направлена по касательной к поверхности кольцевого анода 1 и равна 2V.At time t 1 , explosive emission occurs from the sharp edges of the cathodes 5, 6 and the electrons of the explosive emission plasma begin to drift in the plane of the magnetic field lines 18 parallel to the surface of the ring anode 1. The current of the ion diode until time t 2 has only a capacitive component associated with the accumulation charge in the electron cloud 21, the voltage at the annular anode 1 rises under conditions close to the idler of the accelerator (the load impedance significantly exceeds the output wave impedance of the high-voltage generator Dr. accelerator). The electric field strength increases and the thickness Δ of the drift electron layer increases. Electrons move in a layer parallel to the annular anode 1, with an average speed V = Е / В along the cycloids whose vertices are directed towards the emission surface of the annular anode 1, and at time t 2 begin to touch the dielectric and the annular protrusions of the metal of the annular anode 1, producing plasma. The alternation of the dielectric and metal regions in the presence of annular grooves on the surface of the anode along the electron drift path promotes more uniform plasma formation over the entire surface of the annular anode 1. In this case, the electron velocity is directed tangentially to the surface of the annular anode 1 and is equal to 2V.

В интервале времени t3-t2 генератор ускорителя нагружается током ионов, которые также начинают дрейфовое движение со скоростью V=Е/В, но при этом их ларморовый радиус в mi/me раз больше, чем у электронов. В промежутке d, который является расстоянием от поверхности кольцевого анода 1 до центра тяжести заряда дрейфующих электронов, происходит ускорение ионов. Направление дрейфовой скорости ионов такое же, как и у электронов, но направления отклонения вершин циклоид ионов и электронов противоположны, и ускорение ионов происходит практически по силовым линиям электрического поля 19 на небольшом отрезке кривой, описываемой ларморовым радиусом ионов.In the time interval t 3 -t 2, the accelerator generator is loaded with a current of ions, which also begin to drift at a speed V = E / V, but their Larmor radius is m i / m e times larger than that of electrons. In the gap d, which is the distance from the surface of the ring anode 1 to the center of gravity of the charge of drifting electrons, ion acceleration occurs. The direction of the drift velocity of ions is the same as that of electrons, but the directions of deviation of the vertices of the cycloid of ions and electrons are opposite, and the acceleration of ions occurs almost along the lines of force of the electric field 19 in a small segment of the curve described by the Larmor radius of the ions.

Появление тока переноса в ионном диоде вызывает падение напряжения на внутреннем сопротивлении импульсного источника питания, напряжение 25 перестает расти, электроны не достигают поверхности кольцевого анода 1 и диодный промежуток, образованный поверхностной плотностью положительных зарядов на кольцевом аноде 1 и объемной плотностью электронов в области толщиной Δ, загружается только ионным током с плотностью согласноThe appearance of the transfer current in the ionic diode causes a voltage drop at the internal resistance of the switching power supply, voltage 25 stops increasing, the electrons do not reach the surface of the ring anode 1 and the diode gap formed by the surface density of positive charges on the ring anode 1 and the bulk density of electrons in the region of thickness Δ, loaded only by ion current with a density according to

Figure 00000003
Figure 00000003

гдеWhere

ε0=8,85·10-12 Ф/м;ε 0 = 8.85 · 10 -12 f / m;

е - элементарный заряд (заряд электрона),e is the elementary charge (electron charge),

mi - масса иона,m i is the mass of the ion,

Z - кратность ионизации,Z is the ionization ratio,

U - потенциал анода,U is the potential of the anode,

d - ускоряющий промежуток.d is the accelerating gap.

Таким образом, образуется жесткая отрицательная обратная связь между количеством нарабатываемых ионов и импедансом высоковольтного источника.Thus, a rigid negative feedback is formed between the number of produced ions and the impedance of the high-voltage source.

При уменьшении ионного тока потенциал анода снова возрастает, так как уменьшается падение напряжения на внутреннем сопротивлении высоковольтного генератора ускорителя, электроны снова начинают достигать анода и нарабатывать ионы и т.д. При прохождении электронного облака ионы захватывают электроны, компенсируют свой заряд и движутся в дальнейшем по баллистической траектории. В среднем влияние магнитного поля в предлагаемом диоде скомпенсировано, так как заряженные частицы проходят силовые линии магнитного поля со скоростью Vi в разных направлениях, фиг.3.As the ion current decreases, the anode potential rises again, since the voltage drop across the internal resistance of the accelerator’s high-voltage generator decreases, the electrons again begin to reach the anode and produce ions, etc. When an electron cloud passes, ions capture electrons, compensate for their charge, and move further along a ballistic trajectory. On average, the influence of the magnetic field in the proposed diode is compensated, since the charged particles pass the lines of force of the magnetic field with a speed of V i in different directions, Fig.3.

Электроны в электронном облаке 21 захватываются ионным пучком, часть электронов из облака, расталкивающегося собственным объемным зарядом, стекает по силовым линиям магнитного поля 18, осаждается на диэлектрик 13, 14 (поверхность 22) и стекает на заземленные экраны 9, 10. В течение длительности импульса высокого напряжения от генератора ускорителя электроны в дрейфующем облаке 21 восполняются за счет взрывной эмиссии с острых кромок катодов 5, 6, обращенных к кольцевому аноду 1.The electrons in the electron cloud 21 are captured by the ion beam, part of the electrons from the cloud repelled by their own space charge flows along the magnetic field lines 18, is deposited on the dielectric 13, 14 (surface 22) and flows onto the grounded screens 9, 10. During the pulse duration high voltage from the accelerator generator, the electrons in the drift cloud 21 are made up by explosive emission from the sharp edges of the cathodes 5, 6, facing the annular anode 1.

За экранами, которыми являются короткозамкнутые кольца 9, 10, магнитное поле катушек 11, 12 практически отсутствует. С целью полной компенсации объемного заряда ионного пучка устанавливается заземленная сетка 16 высокой прозрачности или металлические пластины. За счет потери части пучка ионов из материала сетки выбиваются электроны (примерно 15-30 электронов на один «погибший» ион) и происходит полная компенсация объемного заряда ионного пучка в области, свободной от внешних электрических и магнитных полей, что позволяет иметь баллистическую фокусировку ионного пучка в фокусе F0.Behind the screens, which are short-circuited rings 9, 10, the magnetic field of the coils 11, 12 is practically absent. In order to fully compensate for the space charge of the ion beam, a grounded high-transparency grid 16 or metal plates are installed. Due to the loss of part of the ion beam, electrons are knocked out of the network material (approximately 15-30 electrons per one “dead” ion) and the ion beam is completely compensated for in the region free of external electric and magnetic fields, which allows ballistic focusing of the ion beam in focus F 0 .

В ионном диоде, (фиг.1), для обеспечения хода силовых линий параллельно поверхности анода 1 необходимо, чтобы векторный магнитный потенциал катушек 11 и 12 был равным относительно оси Z1 и эмиссионной поверхности анода 1, что выполняется, если числа витков W1 и W2 в обмотках 11 и 12 и центры их ампервитков R1, R2, расположенных симметрично относительно эмиссионной поверхности анода, соотносятся как W1·R1=W2·R2. В этом случае в фокусах F0, F1, F2 будет сплошной ионный пучок с равномерной плотностью тока по сечению пучка. Причем плотность тока в фокусе F0 максимальна и достигает значения

Figure 00000004
где j - плотность тока согласно (2), Sa - площадь эмиссионной поверхности анода, равная
Figure 00000005
с наружным радиусом RH и внутренним RB, S0 - площадь пятна в фокусе. Размещая в фокусе F0 требуемый материал, можно испарять его ионным пучком и получать абляционную плазму (Zakoutaev A.N., Remnev G.E., Ivanov Yu.F., Arteyev M.S., Matvienko V.M., and Potyomkin A.V. High-rate deposition of thin films by high-intensity pulsed ion beam evaporation. // В сб. «Film Synthesis and Growth Using Energetic Beams», edited by H.A.Atwater, J.T.Dickinson, D.H.Lowndes, and A.Polman - Mater. Res. Soc. Proc., 388, Pittsburgh, PA, 1995, p.388-392.), при осаждении которой на поверхностях, укрепленных на короткозамкпутом диске 10, образуются тонкие пленки испаряемого материала при высокой импульсной скорости осаждения. Помещая детали на большем расстоянии, чем F2, F3, для обеспечения меньшей, чем в фокусе, плотности ионного тока, производят модификацию поверхности изделий: упрочнение, формирование определенного рельефа, фазового и дефектного состояния поверхностного слоя материалов, очистку от загрязнений и пленок и т.д. (Ремнев Г.Е., Погребняк А.Д., Исаков И.Ф. и др. Повышение эксплуатационных характеристик сплавов под действием мощных ионных пучков. // Физика и химия обработки материалов, 1987, в.6, с.4-11; Ремнев Г.Е., Тарбоков В.А., Кузнецов П.В. Структурно-фазовые изменения в поверхностном слое твердосплавного инструмента при воздействии мощного ионного пучка // «Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах». Труды III международной конференции. Томск, Россия, 2002. - С.369-370).In the ionic diode, (Fig. 1), to ensure the field lines run parallel to the surface of the anode 1, it is necessary that the vector magnetic potential of the coils 11 and 12 be equal to the Z axis 1 and the emission surface of the anode 1, which is done if the number of turns W 1 and W 2 in the windings 11 and 12 and the centers of their ampere-turns R 1 , R 2 located symmetrically relative to the emission surface of the anode, are correlated as W 1 · R 1 = W 2 · R 2 . In this case, the foci F 0 , F 1 , F 2 will be a continuous ion beam with a uniform current density over the beam cross section. Moreover, the current density at the focus F 0 is maximum and reaches a value
Figure 00000004
where j is the current density according to (2), S a is the area of the anode emission surface equal to
Figure 00000005
with an outer radius R H and an inner R B , S 0 is the spot area in focus. By placing the desired material at the F 0 focus, it is possible to vaporize it with an ion beam and obtain an ablation plasma (Zakoutaev AN, Remnev GE, Ivanov Yu.F., Arteyev MS, Matvienko VM, and Potyomkin AV High-rate deposition of thin films by high-intensity pulsed ion beam evaporation. // In: Film Synthesis and Growth Using Energetic Beams, edited by HAAtwater, JT Dickinson, DHLowndes, and A. Polman - Mater. Res. Soc. Proc., 388, Pittsburgh, PA, 1995, p.388-392.), during the deposition of which on the surfaces mounted on the short-circuit disk 10, thin films of vaporized material are formed at a high pulse deposition rate. Placing the parts at a greater distance than F 2 , F 3 , to ensure a lower ion current density than the focus, the surface of the products is modified: hardening, formation of a certain relief, phase and defective state of the surface layer of materials, cleaning from contaminants and films and etc. (Remnev G.E., Pogrebnyak A.D., Isakov I.F. et al. Improving the operational characteristics of alloys under the influence of powerful ion beams. // Physics and Chemistry of Materials Processing, 1987, v.6, p. 4-11 ; Remnev G.E., Tarbokov V.A., Kuznetsov P.V. Structural-phase changes in the surface layer of a carbide tool when exposed to a powerful ion beam // "Radiation-thermal effects and processes in inorganic materials. Proceedings of the III international conference Tomsk, Russia, 2002. - S.369-370).

В сферическом ионном диоде с внешней магнитной изоляцией, фиг.2, наряду с баллистической фокусировкой используется электростатическая фокусировка непосредственно в ускоряющем промежутке, и в фокусе F0 плотность ионного тока может быть повышена в 102-103 раз по сравнению с (2). В фокусе F1, фиг.2, можно обеспечивать модификацию поверхности цилиндрических деталей, например обрабатывать режущие кромки фрез, резьбовые соединения труб, или удалять отработавшие ресурс различные функциональные покрытия, в том числе особо стойкие и жаропрочные (Шулов В.А., Ночевная Н.А., Ремнев Г.Е., и др. Ионно-лучевая технология ремонта лопаток компрессора ГТД с использованием мощных ионных пучков наносекундной длительности. // Авиационная промышленность, 1993, №2, с.14-22).In a spherical ion diode with external magnetic insulation, Fig. 2, along with ballistic focusing, electrostatic focusing is used directly in the accelerating gap, and in the focus F 0, the ion current density can be increased 10 2 -10 3 times compared with (2). In the focus of F 1 , Fig. 2, it is possible to modify the surface of cylindrical parts, for example, to process the cutting edges of mills, threaded pipe joints, or to remove the spent various functional coatings, including especially resistant and heat-resistant (Shulov V.A., Nochevnaya N .A., Remnev G.E., et al. Ion-beam technology for repairing gas turbine compressor blades using powerful nanosecond ion beams. // Aviation Industry, 1993, No. 2, p. 14-22).

Если в качестве диэлектрика 2 использовать полиэтилен, у которого водород замещен дейтерием, то произойдет получение ионного пучка дейтерия, который можно использовать для генерации нейтронных вспышек на мишени из трансурановых элементов или перенасыщенных нейтронами ядрах, например бериллий

Figure 00000006
, а помещая в фокусе F0 дейтерий-тритивые мишени, иметь нейтроны термоядерного синтеза.If we use polyethylene as the dielectric 2, in which hydrogen is replaced by deuterium, then an ion beam of deuterium will be produced, which can be used to generate neutron bursts on targets from transuranium elements or nuclei oversaturated with neutrons, for example beryllium
Figure 00000006
, and placing deuterium targets at the focus F 0 , have neutrons of thermonuclear fusion.

Рассмотренный выше ионный диод с внешней магнитной изоляцией по схеме фиг.1 при потенциале на аноде 400 кВ, с выходным волновым сопротивлением источника напряжения ускорителя 40 Ом, длительности импульса 60 нс, обеспечивал КПД формирования ионного пучка более 60% от энергии, запасенной в формирующей линии ускорителя (наносекундном генераторе). При площади анода 80 см2 (RH=80 мм, RB-55 мм) в фокусе F0 при угле α=60° и диаметре пучка в фокусе 4 см получена плотность ионного тока 600 А/см2. На создание внешнего магнитного поля требовалась энергия 300 Дж, что обеспечивал емкостной накопитель емкостью 20·10-6 Ф при напряжении 6 кВ. При этом в свободном от проводящих поверхностей анода 1 индукция магнитного поля 17, фиг.3, была более чем в два раза ниже, чем при наличии анода 1, и силовые линии магнитного поля 18 располагались параллельно эмиссионной поверхности анода.The above-considered ion diode with external magnetic isolation according to the scheme of Fig. 1, with a potential at the anode of 400 kV, with an output impedance of an accelerator voltage source of 40 Ohms, a pulse duration of 60 ns, ensured the efficiency of ion beam formation of more than 60% of the energy stored in the forming line accelerator (nanosecond generator). With an anode area of 80 cm 2 (R H = 80 mm, R B -55 mm) in the focus F 0 at an angle α = 60 ° and a beam diameter at the focus of 4 cm, an ion current density of 600 A / cm 2 was obtained. An external magnetic field required an energy of 300 J, which provided a capacitive storage with a capacity of 20 · 10 -6 F at a voltage of 6 kV. Moreover, in the free from the conductive surfaces of the anode 1, the induction of the magnetic field 17, Fig.3, was more than two times lower than in the presence of the anode 1, and the lines of force of the magnetic field 18 were parallel to the emission surface of the anode.

На фиг.5 приведена фотография катодного узла со стороны анода после более чем 103 срабатываний с параметрами, указанными выше. Отчетливо виден след 22 от выталкиваемых электронов из облака 21 на поверхности диэлектрика 13. Второй след 22 с кромки катода 5 минует диэлектрик 14 и попадает на опорный диск 7 согласно ходу силовых линий магнитного поля.Figure 5 shows a photograph of the cathode assembly from the anode side after more than 10 3 operations with the parameters indicated above. The trace 22 from the pushed electrons from the cloud 21 on the surface of the dielectric 13 is clearly visible. The second trace 22 from the edge of the cathode 5 passes the dielectric 14 and enters the supporting disk 7 according to the course of the magnetic field lines.

Таким образом, повышение стабильности тока генерируемых импульсов и КПД преобразования электрической энергии в кинетическую энергию ионного пучка свыше 60% достигается за счет повышения однородности плазмообразования и жесткой обратной связи между величиной электронной компоненты полного тока в ионном диоде при наработке плазмы симметрично по всей эмиссионной поверхности анода и подавления электронной компоненты полного тока диода в ускоряющем зазоре в процессе ускорения ионов. Это позволяет исключить дополнительные схемы и устройства для предварительной наработки плазмы и обеспечить наиболее благоприятные условия для выполнения «закона 3/2» (1) - т.е. для заданного потенциала U иметь наименьшую величину ускоряющего зазора d путем его регулирования величиной и скоростью нарастания магнитного поля от одного источника, используя индуцированные токи в теле анода и короткозамкнутых экранах.Thus, an increase in the stability of the current of the generated pulses and the efficiency of converting electric energy into kinetic energy of the ion beam over 60% is achieved by increasing the uniformity of plasma formation and the rigid feedback between the value of the electronic component of the total current in the ion diode during plasma production symmetrically across the entire emission surface of the anode and suppressing the electronic component of the total diode current in the accelerating gap during ion acceleration. This allows you to exclude additional circuits and devices for preliminary production of plasma and provide the most favorable conditions for the implementation of the "law 3/2" (1) - i.e. for a given potential U, to have the smallest value of the accelerating gap d by controlling it by the magnitude and rate of increase of the magnetic field from one source, using induced currents in the anode body and short-circuited screens.

Claims (3)

1. Ионный диод с внешней магнитной изоляцией, содержащий кольцевой анод и цилиндрические катоды, две концентрические согласно включенные катушки, размещенные за внешним и внутренним радиусами цилиндрических катодов, и импульсные источники питания, отличающийся тем, что эмиссионная поверхность анода снабжена кольцевыми канавками с диэлектрическим покрытием или диэлектрическими вставками, анод выполнен из высокопроводящего материала, а числа витков в обмотках W1 и W2 и центры радиусов их ампервитков R1 и R2 расположены симметрично относительно эмиссионной поверхности анода, и соотносятся как1. An ionic diode with external magnetic insulation, containing a ring anode and cylindrical cathodes, two concentric coils according to included, placed behind the outer and inner radii of the cylindrical cathodes, and switching power supplies, characterized in that the emission surface of the anode is provided with annular grooves with a dielectric coating or dielectric inserts, the anode is made of highly conductive material, and the number of turns in the windings W 1 and W 2 and the centers of the radii of their ampere turns R 1 and R 2 are located symmetrically with respect to the emission surface of the anode, and are correlated as W1·R1=W2·R2.W 1 · R 1 = W 2 · R 2 . 2. Ионный диод по п.1, отличающийся тем, что поверхность анода с диэлектрическим покрытием образует сферическую поверхность с центром на оси симметрии ионного диода и содержит больше двух концентрических катушек, равномерно распределенных вдоль эмиссионной поверхности анода.2. The ion diode according to claim 1, characterized in that the surface of the anode with a dielectric coating forms a spherical surface centered on the axis of symmetry of the ion diode and contains more than two concentric coils uniformly distributed along the emission surface of the anode. 3. Ионный диод по п.1 или 2, отличающийся тем, что цилиндрические катоды снабжены короткозамкнутыми витками из материала с высокой электропроводностью, причем за короткозамкнутыми витками расположена сетка или радиально стоящие пластины по сечению ионного пучка.3. The ion diode according to claim 1 or 2, characterized in that the cylindrical cathodes are equipped with short-circuited turns of a material with high electrical conductivity, and behind the short-circuited turns there is a grid or radially standing plates along the cross section of the ion beam.
RU2004112850/06A 2004-04-26 2004-04-26 Gas-filled diode with external magnetic insulation RU2288553C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2004112850/06A RU2288553C2 (en) 2004-04-26 2004-04-26 Gas-filled diode with external magnetic insulation

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2004112850/06A RU2288553C2 (en) 2004-04-26 2004-04-26 Gas-filled diode with external magnetic insulation

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2004112850A RU2004112850A (en) 2005-10-20
RU2288553C2 true RU2288553C2 (en) 2006-11-27

Family

ID=35862955

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2004112850/06A RU2288553C2 (en) 2004-04-26 2004-04-26 Gas-filled diode with external magnetic insulation

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2288553C2 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EA019817B1 (en) * 2011-12-29 2014-06-30 Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Национальный Исследовательский Томский Политехнический Университет" (Фгбоу Впо Ни Тпу) Gas-filled diode with magnet self insulation
RU2528628C2 (en) * 2012-10-29 2014-09-20 Михаил Агеевич Поломарчук Device having "open magnetic barrier trap" type magnetic plasma confinement
RU2606404C1 (en) * 2015-06-30 2017-01-10 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" Ion diode with magnetic self-isolation
RU2795950C1 (en) * 2022-09-28 2023-05-15 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" Method for generating a pulse beam of light ions

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
DAVIS H.A., et. al. "Characterization and modeling of the ablation plumes formed by intense-pulsed ion beam impact on solid targets". Journal of applied physics. 1999, vol. 85, № 2, p.713-721. *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EA019817B1 (en) * 2011-12-29 2014-06-30 Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Национальный Исследовательский Томский Политехнический Университет" (Фгбоу Впо Ни Тпу) Gas-filled diode with magnet self insulation
RU2528628C2 (en) * 2012-10-29 2014-09-20 Михаил Агеевич Поломарчук Device having "open magnetic barrier trap" type magnetic plasma confinement
RU2606404C1 (en) * 2015-06-30 2017-01-10 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" Ion diode with magnetic self-isolation
RU2795950C1 (en) * 2022-09-28 2023-05-15 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" Method for generating a pulse beam of light ions

Also Published As

Publication number Publication date
RU2004112850A (en) 2005-10-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5036252A (en) Radio frequency ion beam source
CN103765552A (en) Generating, a highly ionized plasma in a plasma chamber
Belchenko et al. Ion sources at the Novosibirsk Institute of Nuclear Physics
Belchenko et al. Studies of ion and neutral beam physics and technology at the Budker Institute of Nuclear Physics, SB RAS
Faircloth Ion sources for high-power hadron accelerators
US3406349A (en) Ion beam generator having laseractivated ion source
Shchukin et al. High-efficiency electron source with a hollow cathode in technologies of thin film deposition and surface treatment under forevacuum pressures
RU2288553C2 (en) Gas-filled diode with external magnetic insulation
Furman et al. Ionic diode
Fukuzawa et al. Plasma erosion opening switch using laser-produced plasma
JP2003270400A (en) Pig type negative ion source for neutron generation tube
Zhao et al. Experimental research on electrical breakdown strength of long-gap vacuum-insulated coaxial line under microsecond pulses
Bugaev et al. Generation of boron ions for beam and plasma technologies
Ueno et al. Solving beam intensity bottlenecks and 100 mA operation of J-PARC cesiated RF-driven H− ion source
RU116273U1 (en) SOURCE OF IONS
Goncharov et al. Last results of novel plasmaoptical devices investigation
Yakovlev et al. Short-pulse breakdown of near-cathode sheath in the presence of a local magnetic field
Variale et al. Secondary electrons problem study in beam energy recovery for fusion: Experimental apparatus
Belchenko et al. Studies of surface-plasma negative ion sources at Novosibirsk
Muzyukin et al. Ion flow parameters of a high-current pulsed vacuum arc
RU2776324C1 (en) Ramjet relativistic engine
Grabovskiĭ et al. Influence of the current growth rate on the polarity effect in a wire array in the Angara-5-1 facility
Popov et al. High-current pulsed vacuum-arc evaporator for surface-alloying technologies
Goncharov et al. Advances in the development of new generation plasma-optical systems
Ryabchikov et al. Study of the regularities of low-and super-low-energy high-intensity metal ion beams formation

Legal Events

Date Code Title Description
FA92 Acknowledgement of application withdrawn (lack of supplementary materials submitted)

Effective date: 20051124

FZ9A Application not withdrawn (correction of the notice of withdrawal)

Effective date: 20060228

PC43 Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions

Effective date: 20110525

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20180427