RU2795950C1 - Способ генерации импульсного пучка легких ионов - Google Patents
Способ генерации импульсного пучка легких ионов Download PDFInfo
- Publication number
- RU2795950C1 RU2795950C1 RU2022125350A RU2022125350A RU2795950C1 RU 2795950 C1 RU2795950 C1 RU 2795950C1 RU 2022125350 A RU2022125350 A RU 2022125350A RU 2022125350 A RU2022125350 A RU 2022125350A RU 2795950 C1 RU2795950 C1 RU 2795950C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- ions
- potential electrode
- ion
- explosive
- emission
- Prior art date
Links
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 title claims abstract description 123
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 13
- 239000002360 explosive Substances 0.000 claims abstract description 46
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims abstract description 16
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 claims abstract description 9
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 7
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 4
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 4
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims abstract description 4
- 230000007423 decrease Effects 0.000 claims abstract description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 39
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 38
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 25
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims description 16
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims description 16
- 239000000203 mixture Substances 0.000 abstract description 23
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 abstract description 14
- 239000012535 impurity Substances 0.000 abstract description 12
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 abstract description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 abstract description 2
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 24
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 18
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 13
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 11
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 11
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 10
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- -1 carbon ions Chemical class 0.000 description 6
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 5
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 3
- 230000036470 plasma concentration Effects 0.000 description 3
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 2
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 2
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 2
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 2
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 2
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 150000004678 hydrides Chemical class 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 150000001247 metal acetylides Chemical class 0.000 description 1
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
Images
Abstract
Изобретение относится к способу генерации импульсного пучка легких ионов и может использоваться для технологий радиационно-пучкового модифицирования изделий, а также для инициирования ядерных реакций. Способ включает подачу сдвоенных разнополярных наносекундных импульсов напряжения к потенциальному электроду ионного диода. В течение первого отрицательного импульса формируют на поверхности потенциального электрода покрытие из соединений атомов материала потенциального электрода с атомами рабочего газа при давлении в камере ионного диода 2-80 мПа. В течение второго положительного импульса из взрывоэмиссионной плазмы, образованной на поверхности потенциального электрода, эмитируют ионы, которые ускоряют в межэлектродном зазоре и направляют в область транспортировки импульсного пучка легких ионов через прорези в полосковом заземленном электроде. Причем материал потенциального электрода выбирают из условия: λД < 0,15(d1-d2), где λД - расстояние, на котором напряженность электрического поля в взрывоэмиссионной плазме снижается в 2,7 раза (радиус Дебая); d1 - толщина слоя легкого ионного компонента на эмиссионной границе взрывоэмиссионной плазмы; d2 - толщина слоя тяжелого ионного компонента на эмиссионной границе взрывоэмиссионной плазмы. Техническим результатом является снижение концентрации примесных ионов и упрощение изменения состава ионного пучка. 1 з.п. ф-лы, 12 ил.
Description
Изобретение относится к ускорительной технике и предназначено для генерации импульсных ионных пучков, которые используются для радиационно-пучкового модифицирования изделий с целью улучшения их эксплуатационных характеристик, а также для инициирования ядерных реакций.
Известен способ генерации импульсного пучка легких ионов диодом с внешней магнитной изоляцией электронов и инжекцией плазмы от внешнего плазменного источника [Bystritsky V.M., Dudkin G.N., Nechaev B.A., Padalko V.N. Pulsed ion Hall accelerator for investigation of reactions between light nuclei in the astrophysical energy range. // Physics of Particles and Nuclei, 2017. vol. 48(4), p. 659-679.]. На потенциальном электроде диода создают сплошной слой плазмы с концентрацией более 1012 см-3, а в межэлектродном зазоре диода создают магнитное поле с индукцией 0,5-0,8 Тл.
При осуществлении такого способа необходим дополнительный источник напряжения для создания магнитного поля в межэлектродном зазоре диода, источник плазмы, системы синхронизации и ввода плазмы в межэлектродный зазор, которые усложняют конструкцию ионного диода, снижают надежность и к.п.д. генератора импульсного пучка легких ионов.
Известен способ генерации импульсного пучка легких ионов полосковым ионным диодом с магнитной самоизоляцией электронов [RU 2606404 C1, МПК H05H 9/00 (2006.01), опубл. 10.01.2017], который состоит из потенциального электрода и полоскового заземленного электрода, соединенного с корпусом диодной камеры с одной стороны и металлический экран, установленный на заземленном электроде. Потенциальный электрод полуцилиндрической фокусирующей конфигурации изготовлен из графита, имеет радиус изгиба 14 см, длину 20 см и ширину 10 см. Заземленный электрод изготовлен из полосы нержавеющей стали шириной 5 см, длиной 25 см и толщиной 2 мм, радиус изгиба 13 см. Заземленный электрод имеет пазы размером 0,4 см×2 см и прозрачность 70%.
Для создания плотной плазмы необходимого состава на поверхности потенциального электрода диода используют явление взрывной электронной эмиссии. Магнитное поле в межэлектродном зазоре формируют собственным током диода при протекании по заземленному электроду.
От генератора наносекундных импульсов к потенциальному электроду ионного диода прикладывают сдвоенные разнополярные импульсы напряжения - первый отрицательный (300-500 нс, 100-150 кВ) и второй положительный (120 нс, 250-300 кВ). В течение первого импульса на поверхности потенциального электрода диода образуют взрывоэмиссионную плазму. В течение второго импульса из взрывоэмиссионной плазмы эмитируют ионы, которые ускоряют в межэлектродном зазоре. Через прорези в заземленном электроде основная часть ионов проходит в область транспортировки импульсного пучка легких ионов. В течение генерации импульсного пучка легких ионов (второй импульс) электроны эмитируют с поверхности заземленного электрода и далее дрейфуют вдоль его поверхности от точки заземления к свободному концу электрода, формируя магнитное поле, вектор индукции которого перпендикулярен вектору напряженности электрического поля, меняя направление движения электронов от поперечного к продольному вдоль поверхности заземленного электрода к концу диода.
Недостатком прототипа является большая концентрация примесных ионов и сложность изменения состава ионного пучка. При использовании графитового потенциального электрода ионный пучок состоит из протонов и ионов углерода С+, концентрация примесных ионов (С+) составляет 80-85%. При использовании алюминиевого потенциального электрода пучок содержит протоны, ионы алюминия и ионы углерода [В.И. Шаманин, Г.Е. Ремнёв, В.А. Тарбоков. Ионный диод с магнитной самоизоляцией для генерации ионных пучков алюминия // Приборы и техника эксперимента, 2020, № 4, с. 35-39.]. Концентрация примесных ионов (Al+ и С+) составляет 70%.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в генерации легких ионов, снижении концентрации примесных ионов и упрощении изменения состава ионного пучка.
Предложенный способ генерации импульсного пучка легких ионов, также как в прототипе, включает подачу сдвоенных разнополярных наносекундных импульсов напряжения к потенциальному электроду ионного диода, при этом в течение первого отрицательного импульса на его поверхности образуют взрывоэмиссионную плазму, а в течение второго положительного импульса из взрывоэмиссионной плазмы эмитируют ионы, которые ускоряют в межэлектродном зазоре, образованном между потенциальным электродом и полосковым заземленным электродом, соединенным одной стороной с корпусом камеры диода и направляют ионы в область транспортировки импульсного пучка легких ионов через прорези в полосковом заземленном электроде.
Согласно изобретению, в течение первого отрицательного импульса длительностью 380-700 нс и амплитудой 240-300 кВ формируют на поверхности потенциального электрода покрытие из соединений атомов материала потенциального электрода с атомами рабочего газа при давлении в камере ионного диода 2-80 мПа. Длительность второго положительного импульса составляет 150 нс при амплитуде 240-330 кВ. Причем материал потенциального электрода выбирают из условия:
λ Д < 0,15(d 1-d 2),
где λ Д - расстояние, на котором напряженность электрического поля в взрывоэмиссионной плазме снижается в 2,7 раза (радиус Дебая);
d 1 - толщина слоя легкого ионного компонента на эмиссионной границе взрывоэмиссионной плазмы;
d 2 - толщина слоя тяжелого ионного компонента на эмиссионной границе взрывоэмиссионной плазмы.
Покрытие на поверхности потенциального электрода из соединения атомов металла с атомами рабочего газа формируют в течение первого отрицательного импульса при напуске рабочего газа (азот или водород) в камеру диода. При генерации пучка легких ионов реализуется эффект подавления генерации тяжелых ионов, который вызван более высокой скоростью расширения легкого ионного компонента взрывоэмиссионной плазмы по сравнению с тяжелым компонентом. Если глубина проникновения электрического поля в взрывоэмиссионную плазму меньше толщины слоя более легких ионов на ее эмиссионной границе, то происходит эмиссия из взрывоэмиссионной плазмы только легких ионов и их ускорение в межэлектродном зазоре.
Предложенный способ позволил получить ионные пучки, содержащие ионы азота или протоны, с концентрацией примесных ионов не более 10%. Для изменения состава импульсного пучка легких ионов достаточно изменить состав рабочего газа в камере диода.
Изобретение поясняется графическими материалами.
На фиг. 1 показана схема диодной камеры, где обозначено: 1 - потенциальный электрод диода, 2 - заземленный электрод диода, 3 - коллимированный цилиндр Фарадея (устройство для регистрации ионного тока).
На фиг. 2 представлены результаты измерения состава ионного пучка с помощью времяпролетной диагностики при использовании потенциального электрода из нержавеющей стали и азота в качестве рабочего газа, где обозначено: 4 - осциллограмма ускоряющего напряжения, 5 - осциллограмма плотности ионного тока, 6 - расчетная плотность тока ионов N+, 7 - расчетная плотность тока ионов Fe+.
На фиг. 3 показано распределение концентрации ионов и напряженности электрического поля в межэлектродном зазоре при использовании потенциального электрода из нержавеющей стали и азота в качестве рабочего газа, состав взрывоэмиссионной плазмы - 67% ионы Fe+ и 33% ионы N+ (взрывная эмиссия Fe2N), концентрация плазмы 1012 см-3, где обозначено: 8 - распределение концентрации ионов Fe+, 9 - распределение концентрации ионов N+, 10 - распределение напряженности электрического поля в межэлектродном зазоре диода при ускоряющем напряжении 270 кВ и зазоре 9 мм.
На фиг. 4 представлены результаты измерения состава ионного пучка с помощью времяпролетной диагностики при использовании потенциального электрода из меди и азота в качестве рабочего газа, где обозначено: 11 - осциллограмма ускоряющего напряжения, 12 - осциллограмма плотности ионного тока, 13 - расчетная плотность тока ионов азота N2+, 14 - расчетная плотность тока ионов Cu+.
На фиг. 5 показано распределение концентрации ионов и напряженности электрического поля в межэлектродном зазоре при использовании потенциального электрода из меди и азота в качестве рабочего газа, состав взрывоэмиссионной плазмы - 75% ионы Cu+ и 25% ионы N2+ (взрывная эмиссия Cu3N), концентрация плазмы 1012 см-3, где обозначено: 15 - распределение концентрации ионов Cu+, 16 - распределение концентрации ионов N2+, 17 - распределение напряженности электрического поля в межэлектродном зазоре диода при ускоряющем напряжении 260 кВ и зазоре 9 мм.
На фиг. 6 представлены результаты измерения состава ионного пучка с помощью времяпролетной диагностики при использовании потенциального электрода из титана и азота в качестве рабочего газа, где обозначено: 18 - осциллограмма ускоряющего напряжения, 19 - осциллограмма плотности ионного тока, 20 - расчетная плотность тока ионов N2+, 21 - расчетная плотность тока ионов Ti+.
На фиг. 7 показано распределение концентрации ионов и напряженности электрического поля в межэлектродном зазоре при использовании потенциального электрода из титана и азота в качестве рабочего газа, состав взрывоэмиссионной плазмы - 50% ионы Ti+ и 50% ионы N+ (взрывная эмиссия TiN), концентрация плазмы 1012 см-3, где обозначено: 22 - распределение концентрации ионов Ti+, 23 - распределение концентрации ионов N2+, 24 - распределение напряженности электрического поля в межэлектродном зазоре диода при ускоряющем напряжении 240 кВ и зазоре 9 мм.
На фиг. 8 представлены результаты измерения состава ионного пучка с помощью времяпролетной диагностики при использовании потенциального электрода из меди и водорода в качестве рабочего газа, где обозначено: 25 - осциллограмма ускоряющего напряжения (второй импульс), 26 - осциллограмма плотности ионного тока, 27 - расчетная плотность тока протонов, 28 - расчетная плотность тока ионов Cu+.
На фиг. 9 показано распределение концентрации ионов и напряженности электрического поля в межэлектродном зазоре при использовании потенциального электрода из меди и водорода в качестве рабочего газа, состав взрывоэмиссионной плазмы - 50% протоны и 50% ионы Cu+ (взрывная эмиссия CuH), концентрация плазмы 1012 см-3, где обозначено: 29 - распределение концентрации протонов, 30 - распределение концентрации ионов Cu+, 31 - распределение напряженности электрического поля в межэлектродном зазоре диода при ускоряющем напряжении 320 кВ и зазоре 9 мм.
На фиг. 10 представлены результаты измерения состава ионного пучка с помощью времяпролетной диагностики при использовании потенциального электрода из меди и водорода в качестве рабочего газа, где обозначено: 32 - осциллограмма ускоряющего напряжения (второй импульс), 33 - осциллограмма плотности ионного тока, 34 - расчетная плотность тока протонов, 35 - расчетная плотность тока ионов Cu+.
На фиг. 11 представлены результаты измерения состава ионного пучка с помощью времяпролетной диагностики при использовании потенциального электрода из титана и водорода в качестве рабочего газа, где обозначено: 36 - осциллограмма ускоряющего напряжения (второй импульс), 37 - осциллограмма плотности ионного тока, 38 - расчетная плотность тока протонов, 39 - расчетная плотность тока ионов Ti+.
На фиг. 12 показано распределение концентрации ионов и напряженности электрического поля в межэлектродном зазоре при использовании потенциального электрода из титана и водорода в качестве рабочего газа, состав взрывоэмиссионной плазмы - 67% протоны и 33% ионы Ti+ (взрывная эмиссия TiH2), концентрация плазмы 1012 см-3, где обозначено: 40 - распределение концентрации протонов, 41 - распределение концентрации ионов Ti+, 42 - распределение напряженности электрического поля в межэлектродном зазоре диода при ускоряющем напряжении 300 кВ и зазоре 9 мм.
Способ генерации импульсного пучка легких ионов осуществляют используя ионный диод с металлическим потенциальным электродом и магнитной самоизоляцией электронов. До начала генерации импульсного пучка легких ионов на поверхности электродов ионного диода происходит адсорбция молекул рабочего газа в камере диода. Далее от генератора импульсов ускоряющего напряжения к потенциальному электроду 1 (фиг. 1) ионного диода прикладывают сдвоенные разнополярные импульсы - первый отрицательный и второй положительный. В течение первого импульса происходят следующие процессы: на поверхности металлического потенциального электрода 1 образуют взрывоэмиссионную плазму; из взрывоэмиссионной плазмы эмитируют электроны, которые ускоряют в межэлектродном зазоре; в межэлектродном зазоре образуют ионы рабочего газа и ускоряют ионы в направлении к потенциальному электроду 1; на поверхности потенциального электрода 1 образуют соединения атомов металла с атомами рабочего газа (нитриды, карбиды, гидриды и др.). В течение первого импульса происходит расширение взрывоэмиссионной плазмы, при этом скорость легких ионов больше скорости тяжелых ионов. В течение второго импульса из взрывоэмиссионной плазмы на поверхности потенциального электрода 1 эмитируют ионы, которые ускоряют в межэлектродном зазоре. Затем основная часть ионов проходит в область транспортировки импульсного пучка легких ионов.
Пример 1.
Потенциальный электрод 1 полуцилиндрической фокусирующей конфигурации был выполнен из нержавеющей стали, имел радиус изгиба 14 см, длину 20 см и ширину 10 см. Заземленный электрод 2 был изготовлен из полосы нержавеющей стали шириной 5 см, длиной 25 см и толщиной 2 мм, с радиусом изгиба 13 см. Заземленный электрод 2 имел пазы размером 0,4×2 см и прозрачность 70%. Давление в камере диода составляло 2 мПа и рабочий газ состоял из азота. Напуск азота в камеру диода осуществляли газовым натекателем, давление в камере диода измеряли магниторазрядным вакуумметром ВМБ-8. От генератора импульсов ускоряющего напряжения к потенциальному электроду 1 ионного диода прикладывали сдвоенные разнополярные импульсы 4 - первый отрицательный (450 нс, 270 кВ) и второй положительный (150 нс, 300 кВ). Состав полученного пучка легких ионов - ионы N+ (98%), содержание примесных ионов менее 2% (фиг. 2). Радиус Дебая составил 14 мкм; толщина слоя ионов N+ (на уровне 20%) на эмиссионной границе взрывоэмиссионной плазмы d 1 = 217 мкм; толщина слоя ионов Fe+ (на уровне 20%) на эмиссионной границе взрывоэмиссионной плазмы d 2 = 109 мкм (фиг. 3). При использовании потенциального электрода 1 из нержавеющей стали и азота в качестве рабочего газа условие λ Д < 0.15(d 1-d 2) выполняется.
Пример 2.
Потенциальный электрод 1 полуцилиндрической фокусирующей конфигурации был выполнен из меди, имел радиус изгиба 14 см, длину 20 см и ширину 10 см. Заземленный электрод 2 был изготовлен из полосы нержавеющей стали шириной 5 см, длиной 25 см и толщиной 2 мм, с радиусом изгиба 13 см. Заземленный электрод 2 имел пазы размером 0,4×2 см и прозрачность 70%. Давление в диодной камере составляло 3 мПа, рабочий газ азот. Напуск азота в камеру диода осуществляли газовым натекателем, давление в камере диода измеряли магниторазрядным вакуумметром ВМБ-8. От генератора импульсов ускоряющего напряжения к потенциальному электроду 1 ионного диода прикладывали сдвоенные разнополярные импульсы 11 (фиг. 4) - первый отрицательный (450 нс, 300 кВ) и второй положительный (150 нс, 260 кВ). Состав пучка - ионы азота N2+ (≈95%), содержание примесных ионов Cu+ около 5% (фиг. 4). Радиус Дебая составил 14 мкм; толщина слоя ионов азота N2+ (на уровне 20%) на эмиссионной границе взрывоэмиссионной плазмы d 1 = 217 мкм; толщина слоя ионов Cu+ (на уровне 20%) на эмиссионной границе взрывоэмиссионной плазмы d 2 = 101 мкм (фиг. 5). При использовании потенциального электрода 1 из меди и азота в качестве рабочего газа условие λ Д < 0,15(d 1-d 2) выполняется.
Пример 3.
Потенциальный электрод 1 полуцилиндрической фокусирующей конфигурации был выполнен из титана, имел радиус изгиба 14 см, длину 20 см и ширину 10 см. Заземленный электрод 2 был изготовлен из полосы нержавеющей стали шириной 5 см, длиной 25 см и толщиной 2 мм, с радиусом изгиба 13 см. Заземленный электрод 2 имел пазы размером 0,4×2 см и прозрачность 70%. Давление в диодной камере составляло 5 мПа, рабочий газ азот. Напуск азота в камеру диода осуществляли газовым натекателем, давление в камере диода измеряли магниторазрядным вакуумметром ВМБ-8. От генератора импульсов ускоряющего напряжения к потенциальному электроду 1 ионного диода прикладывали сдвоенные разнополярные импульсы 18 (фиг. 6) - первый отрицательный (380 нс, 240 кВ) и второй положительный (150 нс, 240 кВ). Состав пучка - ионы азота N2+ (≈95%), содержание примесных ионов Ti+ около 5% (фиг. 6). Радиус Дебая составил 14 мкм; толщина слоя ионов N2+ (на уровне 20%) на эмиссионной границе взрывоэмиссионной плазмы d 1 = 217 мкм; толщина слоя ионов Ti+ (на уровне 20%) на эмиссионной границе взрывоэмиссионной плазмы d 2= 117 мкм (фиг. 7). При использовании потенциального электрода 1 из титана и азота в качестве рабочего газа условие λ Д < 0,15(d 1-d 2) выполняется.
Пример 4.
Потенциальный электрод 1 полуцилиндрической фокусирующей конфигурации был выполнен из меди, имел радиус изгиба 14 см, длину 20 см и ширину 10 см. Заземленный электрод 2 был изготовлен из полосы нержавеющей стали шириной 5 см, длиной 25 см и толщиной 2 мм, с радиусом изгиба 13 см. Заземленный электрод 2 имел пазы размером 0,4×2 см и прозрачность 70%. Давление в диодной камере составляло 18 мПа, рабочий газ водород. Напуск водорода в камеру диода осуществляли газовым натекателем, давление в камере диода измеряли магниторазрядным вакуумметром ВМБ-8. От генератора импульсов ускоряющего напряжения к потенциальному электроду 1 ионного диода прикладывали сдвоенные разнополярные импульсы 25 (фиг. 8) - первый отрицательный (700 нс, 300 кВ) и второй положительный (150 нс, 320 кВ). Состав пучка - протоны (≈90%), содержание примесных ионов Cu+ около 10% (фиг. 8). Радиус Дебая составил 14 мкм; толщина слоя протонов (на уровне 20%) на эмиссионной границе взрывоэмиссионной плазмы d 1 = 812 мкм; толщина слоя ионов Cu+ (на уровне 20%) на эмиссионной границе взрывоэмиссионной плазмы d 2= 101 мкм (фиг. 9). При использовании потенциального электрода 1 из меди и водорода в качестве рабочего газа условие λ Д < 0,15(d 1-d 2) выполняется.
Пример 5.
Потенциальный электрод 1 полуцилиндрической фокусирующей конфигурации был выполнен из меди, имел радиус изгиба 14 см, длину 20 см и ширину 10 см. Заземленный электрод 2 был изготовлен из полосы нержавеющей стали шириной 5 см, длиной 25 см и толщиной 2 мм, с радиусом изгиба 13 см. Заземленный электрод 2 имел пазы размером 0,4×2 см и прозрачность 70%. Давление в диодной камере составляло 80 мПа, рабочий газ водород. Напуск водорода в камеру диода осуществляли газовым натекателем, давление в камере диода измеряли магниторазрядным вакуумметром ВМБ-8. От генератора импульсов ускоряющего напряжения к потенциальному электроду 1 ионного диода прикладывали сдвоенные разнополярные импульсы 32 (фиг. 10) - первый отрицательный (610 нс, 300 кВ) и второй положительный (150 нс, 330 кВ). Состав пучка - протоны (≈90%), содержание примесных ионов Cu+ около 10% (фиг. 10). Радиус Дебая составил 14 мкм; толщина слоя протонов (на уровне 20%) на эмиссионной границе взрывоэмиссионной плазмы d 1 = 812 мкм; толщина слоя ионов Cu+ (на уровне 20%) на эмиссионной границе взрывоэмиссионной плазмы d 2= 101 мкм (фиг. 9). При использовании потенциального электрода 1 из меди и водорода в качестве рабочего газа условие λ Д < 0,15(d 1-d 2) выполняется.
Пример 6.
Потенциальный электрод 1 полуцилиндрической фокусирующей конфигурации был выполнен из титана, имел радиус изгиба 14 см, длину 20 см и ширину 10 см. Заземленный электрод 2 был изготовлен из полосы нержавеющей стали шириной 5 см, длиной 25 см и толщиной 2 мм, с радиусом изгиба 13 см. Заземленный электрод 2 имел пазы размером 0,4×2 см и прозрачность 70%. Давление в диодной камере составляло 80 мПа, рабочий газ водород. Напуск водорода в камеру диода осуществляли газовым натекателем, давление в камере диода измеряли магниторазрядным вакуумметром ВМБ-8. От генератора импульсов ускоряющего напряжения к потенциальному электроду 1 ионного диода прикладывали сдвоенные разнополярные импульсы 36 (фиг. 11) - первый отрицательный (610 нс, 300 кВ) и второй положительный (150 нс, 300 кВ). Состав пучка - протоны (≈90%), содержание примесных ионов Ti+ около 10% (фиг. 11). Радиус Дебая составил 14 мкм; толщина слоя протонов (на уровне 20%) на эмиссионной границе взрывоэмиссионной плазмы d 1 = 812 мкм; толщина слоя ионов Ti+ (на уровне 20%) на эмиссионной границе взрывоэмиссионной плазмы d 2 = 117 мкм (фиг. 12). При использовании потенциального электрода 1 из титана и водорода в качестве рабочего газа условие λ Д < 0,15(d 1-d 2) выполняется.
Таким образом, предложенный способ обеспечивает генерацию импульсного пучка легких ионов, что вызвано более высокой скоростью расширения легкого ионного компонента взрывоэмиссионной плазмы по сравнению с тяжелой компонентой. Если глубина проникновения электрического поля в взрывоэмиссионную плазму меньше толщины слоя более легких ионов на ее эмиссионной границе, то происходит эмиссия из взрывоэмиссионной плазмы только легких ионов и их ускорение в межэлектродном зазоре.
Claims (6)
1. Способ генерации импульсного пучка легких ионов, включающий подачу сдвоенных разнополярных наносекундных импульсов напряжения к потенциальному электроду ионного диода, при этом в течение первого отрицательного импульса на его поверхности образуют взрывоэмиссионную плазму, а в течение второго положительного импульса из взрывоэмиссионной плазмы эмитируют ионы, которые ускоряют в межэлектродном зазоре, образованном между потенциальным электродом и полосковым заземленным электродом, соединенным одной стороной с корпусом камеры диода, и направляют ионы в область транспортировки импульсного пучка легких ионов через прорези в полосковом заземленном электроде, отличающийся тем, что в течение первого отрицательного импульса длительностью 380-700 нc и амплитудой 240-300 кВ формируют на поверхности потенциального электрода покрытие из соединений атомов материала потенциального электрода с атомами рабочего газа при давлении в камере ионного диода 2–80 мПа, а длительность второго положительного импульса составляет 150 нс при амплитуде 240-330 кВ, причем материал потенциального электрода выбирают из условия:
λД < 0,15(d1-d2),
где λД - расстояние, на котором напряженность электрического поля в взрывоэмиссионной плазме снижается в 2,7 раза (радиус Дебая);
d1 – толщина слоя легкого ионного компонента на эмиссионной границе взрывоэмиссионной плазмы;
d2 – толщина слоя тяжелого ионного компонента на эмиссионной границе взрывоэмиссионной плазмы.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве рабочего газа используют или азот, или водород.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2795950C1 true RU2795950C1 (ru) | 2023-05-15 |
Family
ID=
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1995014306A1 (en) * | 1993-11-16 | 1995-05-26 | Sandia Corporation | Pulsed ion beam source |
| US6777862B2 (en) * | 2000-04-14 | 2004-08-17 | General Plasma Technologies Llc | Segmented electrode hall thruster with reduced plume |
| RU2288553C2 (ru) * | 2004-04-26 | 2006-11-27 | Государственное научное учреждение "Научно-исследовательский институт высоких напряжений при Томском политехническом университете" | Ионный диод с внешней магнитной изоляцией |
| US7624566B1 (en) * | 2005-01-18 | 2009-12-01 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of National Aeronautics And Space Administration | Magnetic circuit for hall effect plasma accelerator |
| RU2606404C1 (ru) * | 2015-06-30 | 2017-01-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" | Ионный диод с магнитной самоизоляцией |
| EP3111732A4 (en) * | 2014-02-27 | 2018-06-20 | ETM Electromatic Inc. | Linear accelerator system with stable interleaved and intermittent pulsing |
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1995014306A1 (en) * | 1993-11-16 | 1995-05-26 | Sandia Corporation | Pulsed ion beam source |
| US6777862B2 (en) * | 2000-04-14 | 2004-08-17 | General Plasma Technologies Llc | Segmented electrode hall thruster with reduced plume |
| RU2288553C2 (ru) * | 2004-04-26 | 2006-11-27 | Государственное научное учреждение "Научно-исследовательский институт высоких напряжений при Томском политехническом университете" | Ионный диод с внешней магнитной изоляцией |
| US7624566B1 (en) * | 2005-01-18 | 2009-12-01 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of National Aeronautics And Space Administration | Magnetic circuit for hall effect plasma accelerator |
| EP3111732A4 (en) * | 2014-02-27 | 2018-06-20 | ETM Electromatic Inc. | Linear accelerator system with stable interleaved and intermittent pulsing |
| RU2606404C1 (ru) * | 2015-06-30 | 2017-01-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" | Ионный диод с магнитной самоизоляцией |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Bystritsky V.M. и др., Pulsed ion Hall accelerator for investigation of reactions between light nuclei in the astrophysical energy range. // Physics of Particles and Nuclei, 2017. vol. 48 (4), p. 659-679. В.И. Шаманин и др. Ионный диод с магнитной самоизоляцией для генерации ионных пучков алюминия // Приборы и техника эксперимента, 2020. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Tarasenko et al. | High-power subnanosecond beams of runaway electrons generated in dense gases | |
| Mesyats et al. | On the nature of picosecond runaway electron beams in air | |
| Jarrige et al. | Characterization of a coaxial ECR plasma thruster | |
| Koval et al. | Electron sources with plasma grid emitters: Progress and prospects | |
| Ryabchikov et al. | Vacuum arc ion and plasma source Raduga 5 for materials treatment | |
| Pushkarev et al. | A spiral self-magnetically insulated ion diode | |
| RU2795950C1 (ru) | Способ генерации импульсного пучка легких ионов | |
| Zhu et al. | Generation and transportation of high-intensity pulsed ion beam at varying background pressures | |
| Nazarov et al. | Production of low-energy high-current electron beams in a reflected-discharge plasma-anode gun | |
| Dudnikov | Forty-five years with cesiated surface plasma sources | |
| Zhu et al. | An improved pulse-line accelerator-driven, intense current-density, and high-brightness pseudospark electron beam | |
| Vorobyov et al. | Formation and transportation of an intense sub-millisecond electron beam in a longitudinal magnetic field in the source with a mesh plasma cathode | |
| Beloplotov et al. | Diffuse Discharges Formed in an Inhomogeneous Electric Field Due to Runaway Electrons | |
| Kostrov et al. | Interaction of a modulated electron beam with a magnetoactive plasma | |
| Kozhevnikov et al. | Simulation of the Subnanosecond Runaway Electron Source for Low-Dose Industrial Radiography | |
| Morozov et al. | Angular distribution of mass and charge flows in far zone of plasma beams generated by nanosecond vacuum surface flashover at 70 kV | |
| Shen et al. | Ultrafast mega-electron-volt gas-phase electron diffraction at SLAC National Accelerator Laboratory | |
| Opekounov et al. | Experimental research on ion ejection from previously created explosion-emitted plasma in magnetic insulated diodes | |
| Pushkarev et al. | Circular ion diode with self-magnetic insulation | |
| Shpak et al. | Experimental study of the space-energetic structure and dynamics of a subnanosecond, dense, subrelativistic electron bunch | |
| Jain et al. | Analysis of Breakdown Characteristics of a Pseudospark-Driven Electron Beam Source | |
| Pushkarev et al. | Mechanism of electron current suppression in self-magnetically-insulated ion diode | |
| Shin et al. | Energy density distribution of a modulated electron beam in a source with a plasma cathode based on a low pressure arc | |
| Doroshkevich et al. | Measurement of plasma parameters in an electron source with a plasma cathode based on a low-pressure arc discharge | |
| Kurbanismailov et al. | Pulse Discharge in External Magnetic Field and Atomization of the Electrode Material in Argon |