RU2795950C1 - Method for generating a pulse beam of light ions - Google Patents
Method for generating a pulse beam of light ions 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
Images
Abstract
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.The invention relates to accelerator technology and is intended for generating pulsed ion beams, which are used for radiation-beam modification of products in order to improve their performance, as well as to initiate nuclear reactions.
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.A known method of generating a pulsed beam of light ions by a diode with external magnetic isolation of electrons and plasma injection from an external plasma source [Bystritsky VM, Dudkin GN, Nechaev BA, Padalko VN 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]. A continuous layer of plasma with a concentration of more than 10 12 cm -3 is created on the potential electrode of the diode, and a magnetic field with an induction of 0.5-0.8 T is created in the interelectrode gap of the diode.
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.When implementing this method, an additional voltage source is required to create a magnetic field in the interelectrode gap of the diode, a plasma source, synchronization systems and plasma injection into the interelectrode gap. gap, which complicate the design of the ion diode, reduce reliability and efficiency. generator of a pulsed beam of light ions.
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%.A known method of generating a pulsed beam of light ions strip ion diode with magnetic self-isolation of electrons [RU 2606404 C1, IPC
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.To create a dense plasma of the required composition on the surface of the potential electrode of the diode, the phenomenon of explosive electron emission is used. The magnetic field in the interelectrode gap is formed by the diode's own current when it flows through the grounded electrode.
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.Dual bipolar voltage pulses are applied from the nanosecond pulse generator to the potential electrode of the ion diode - the first negative (300-500 ns, 100-150 kV) and the second positive (120 ns, 250-300 kV). During the first pulse, an explosive emission plasma is formed on the surface of the potential electrode of the diode. During the second pulse, ions are emitted from the explosive emission plasma, which are accelerated in the interelectrode gap. Most of the ions pass through slots in the grounded electrode into the area of transport of the pulsed beam of light ions. During the generation of a pulsed beam of light ions (second pulse), electrons emit from the surface of the grounded electrode and then drift along its surface from the ground point to the free end of the electrode, forming a magnetic field whose induction vector is perpendicular to the electric field strength vector, changing the direction of electron movement from the transverse to the longitudinal along the surface of the grounded electrode to the end of the diode.
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%.The disadvantage of the prototype is the high concentration of impurity ions and the complexity of changing the composition of the ion beam. When using a graphite potential electrode, the ion beam consists of protons and carbon ions C + , the concentration of impurity ions (C + ) is 80-85%. When using an aluminum potential electrode, the beam contains protons, aluminum ions and carbon ions [V.I. Shamanin, G.E. Remnev, V.A. Tarbokov. Ion diode with magnetic self-insulation for generating aluminum ion beams // Instruments and experimental technique, 2020, no. 4, p. 35-39]. The concentration of impurity ions (Al + and C + ) is 70%.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в генерации легких ионов, снижении концентрации примесных ионов и упрощении изменения состава ионного пучка.The technical result of the invention is to generate light ions, reduce the concentration of impurity ions and simplify the change in the composition of the ion beam.
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.The proposed method for generating a pulsed beam of light ions, as well as in the prototype, includes the supply of dual bipolar nanosecond voltage pulses to the potential electrode of the ion diode, while during the first negative pulse, explosive emission plasma is formed on its surface, and during the second positive pulse, explosive emission plasma is emitted ions that accelerate in the interelectrode gap formed between the potential electrode and the grounded strip electrode, connected on one side to the diode chamber body and direct the ions to the area of transportation of the pulsed beam of light ions through the slots in the grounded strip electrode.
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:According to the invention, during the first negative pulse with a duration of 380-700 ns and an amplitude of 240-300 kV, a coating is formed on the surface of the potential electrode from compounds of atoms of the material of the potential electrode with working gas atoms at a pressure in the ion diode chamber of 2-80 MPa. The duration of the second positive pulse is 150 ns at an amplitude of 240-330 kV. Moreover, the material of the potential electrode is selected from the condition:
λ Д < 0,15(d 1-d 2), λ D < 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);where λ D is the distance at which the electric field strength in the explosive emission plasma decreases by a factor of 2.7 (Debye radius);
d 1 - толщина слоя легкого ионного компонента на эмиссионной границе взрывоэмиссионной плазмы; d 1 is the thickness of the light ionic component layer at the emission boundary of the explosive emission plasma;
d 2 - толщина слоя тяжелого ионного компонента на эмиссионной границе взрывоэмиссионной плазмы. d 2 is the thickness of the layer of the heavy ion component at the emission boundary of the explosive emission plasma.
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.The coating on the surface of the potential electrode from the combination of metal atoms with atoms of the working gas is formed during the first negative pulse when the working gas (nitrogen or hydrogen) is admitted into the diode chamber. When generating a beam of light ions, the effect of suppressing the generation of heavy ions is realized, which is caused by a higher expansion rate of the light ion component of the explosive emission plasma compared to the heavy component. If the depth of penetration of the electric field into the explosive emission plasma is less than the thickness of the layer of lighter ions at its emission boundary, then only light ions are emitted from the explosive emission plasma and accelerated in the interelectrode gap.
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.The proposed method made it possible to obtain ion beams containing nitrogen ions or protons, with an impurity ion concentration not exceeding 10%. To change the composition of the pulsed beam of light ions, it is sufficient to change the composition of the working gas in the diode chamber.
Изобретение поясняется графическими материалами.The invention is illustrated by graphic materials.
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).In FIG. 1 shows a diagram of a diode chamber, where it is indicated: 1 - potential electrode of the diode, 2 - grounded electrode of the diode, 3 - collimated Faraday cup (device for detecting ion current).
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+.In FIG. Figure 2 shows the results of measuring the composition of the ion beam using time-of-flight diagnostics using a potential electrode made of stainless steel and nitrogen as the working gas, where 4 is the accelerating voltage oscillogram, 5 is the ion current density oscillogram, 6 is the calculated current density of N + ions, 7 - calculated current density of Fe + ions.
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.In FIG. 3 shows the distribution of ion concentration and electric field strength in the interelectrode gap when using a potential electrode made of stainless steel and nitrogen as a working gas, the explosive emission plasma composition is 67% Fe + ions and 33% N + ions (explosive emission of Fe 2 N),
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+.In FIG. Figure 4 shows the results of measuring the composition of the ion beam using time-of-flight diagnostics using a potential electrode made of copper and nitrogen as the working gas, where it is indicated: 11 - oscillogram of the accelerating voltage, 12 - oscillogram of the ion current density, 13 - calculated current density of nitrogen ions N 2+ , 14 - calculated current density of Cu + ions.
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.In FIG. Figure 5 shows the distribution of ion concentration and electric field strength in the interelectrode gap when using a potential electrode made of copper and nitrogen as a working gas, the explosive emission plasma composition is 75% Cu + ions and 25% N 2+ ions (explosive emission of Cu 3 N),
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+.In FIG. Figure 6 shows the results of measuring the composition of the ion beam using time-of-flight diagnostics using a potential electrode made of titanium and nitrogen as the working gas, where 18 is the accelerating voltage oscillogram, 19 is the ion current density oscillogram, 20 is the calculated current density of N 2+ ions, 21 - calculated current density of Ti + ions.
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.In FIG. Figure 7 shows the distribution of the ion concentration and electric field strength in the interelectrode gap when using a potential electrode made of titanium and nitrogen as a working gas, the composition of the explosive emission plasma is 50% Ti + ions and 50% N + ions (explosive emission of TiN), the plasma concentration is 10 12 cm -3 , where it is indicated: 22 - distribution of the concentration of Ti + ions, 23 - distribution of the concentration of N 2+ ions, 24 - distribution of the electric field strength in the interelectrode gap of the diode at an accelerating voltage of 240 kV and a gap of 9 mm.
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+.In FIG. Figure 8 shows the results of measuring the composition of the ion beam using time-of-flight diagnostics using a potential electrode made of copper and hydrogen as the working gas, where 25 is the oscillogram of the accelerating voltage (second pulse), 26 is the oscillogram of the ion current density, 27 is the calculated proton current density , 28 - calculated current density of Cu + ions.
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.In FIG. Figure 9 shows the distribution of the ion concentration and electric field strength in the interelectrode gap when using a potential electrode made of copper and hydrogen as a working gas, the composition of the explosive emission plasma is 50% protons and 50% Cu + ions (explosive emission of CuH), the plasma concentration is 10 12 cm - 3 , where: 29 is the distribution of the proton concentration, 30 is the distribution of the concentration of Cu + ions, 31 is the distribution of the electric field strength in the interelectrode gap of the diode at an accelerating voltage of 320 kV and a gap of 9 mm.
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+.In FIG. Figure 10 shows the results of measuring the composition of the ion beam using time-of-flight diagnostics using a potential electrode made of copper and hydrogen as the working gas, where 32 is the accelerating voltage oscillogram (second pulse), 33 is the ion current density oscillogram, 34 is the calculated proton current density , 35 - calculated current density of Cu + ions.
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+.In FIG. Figure 11 shows the results of measuring the composition of the ion beam using time-of-flight diagnostics using a potential electrode made of titanium and hydrogen as the working gas, where 36 is the oscillogram of the accelerating voltage (second pulse), 37 is the oscillogram of the ion current density, 38 is the calculated proton current density , 39 - calculated current density of Ti + ions.
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.In FIG. 12 shows the distribution of ion concentration and electric field strength in the interelectrode gap when using a potential electrode made of titanium and hydrogen as a working gas, the composition of the explosive emission plasma is 67% protons and 33% Ti + ions (explosive emission of TiH 2 ), the plasma concentration is 10 12 cm -3 , where: 40 - proton concentration distribution, 41 - Ti + ion concentration distribution, 42 - electric field strength distribution in the interelectrode gap of the diode at an accelerating voltage of 300 kV and a gap of 9 mm.
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.The method for generating a pulsed beam of light ions is carried out using an ion diode with a metal potential electrode and magnetic self-isolation of electrons. Before the generation of a pulsed beam of light ions on the surface of the electrodes of the ion diode, the working gas molecules are adsorbed in the diode chamber. Next, from the accelerating voltage pulse generator to the potential electrode 1 (Fig. 1) of the ion diode, double bipolar pulses are applied - the first negative and the second positive. During the first pulse, the following processes occur: explosive emission plasma is formed on the surface of the metal potential electrode 1; electrons are emitted from the explosive emission plasma, which are accelerated in the interelectrode gap; in the interelectrode gap form ions of the working gas and accelerate the ions towards the potential electrode 1; on the surface of the potential electrode 1 form compounds of metal atoms with atoms of the working gas (nitrides, carbides, hydrides, etc.). During the first pulse, the explosive-emission plasma expands, while the speed of light ions is greater than the speed of heavy ions. During the second pulse, ions are emitted from the explosive-emission plasma on the surface of the potential electrode 1, which are accelerated in the interelectrode gap. Then the main part of the ions passes into the region of transport of the pulsed beam of light ions.
Пример 1.Example 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.Potential electrode 1 of a semi-cylindrical focusing configuration was made of stainless steel, had a bend radius of 14 cm, a length of 20 cm and a width of 10 cm.
Пример 2.Example 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.Potential electrode 1 of a semi-cylindrical focusing configuration was made of copper, had a bend radius of 14 cm, a length of 20 cm and a width of 10 cm.
Пример 3.Example 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.Potential electrode 1 of a semi-cylindrical focusing configuration was made of titanium, had a bend radius of 14 cm, a length of 20 cm and a width of 10 cm.
Пример 4.Example 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.Potential electrode 1 of a semi-cylindrical focusing configuration was made of copper, had a bend radius of 14 cm, a length of 20 cm and a width of 10 cm.
Пример 5.Example 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.Potential electrode 1 of a semi-cylindrical focusing configuration was made of copper, had a bend radius of 14 cm, a length of 20 cm and a width of 10 cm.
Пример 6.Example 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.Potential electrode 1 of a semi-cylindrical focusing configuration was made of titanium, had a bend radius of 14 cm, a length of 20 cm and a width of 10 cm.
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.Thus, the proposed method provides the generation of a pulsed beam of light ions, which is caused by a higher expansion rate of the light ion component of the explosive emission plasma compared to the heavy component. If the depth of penetration of the electric field into the explosive emission plasma is less than the thickness of the layer of lighter ions at its emission boundary, then only light ions are emitted from the explosive emission plasma and accelerated in the interelectrode gap.
Claims (6)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2795950C1 true RU2795950C1 (en) | 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 (en) * | 2004-04-26 | 2006-11-27 | Государственное научное учреждение "Научно-исследовательский институт высоких напряжений при Томском политехническом университете" | Gas-filled diode with external magnetic insulation |
| 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 (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 |
| 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 (en) * | 2004-04-26 | 2006-11-27 | Государственное научное учреждение "Научно-исследовательский институт высоких напряжений при Томском политехническом университете" | Gas-filled diode with external magnetic insulation |
| 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 (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 |
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 | |
| Ryabchikov et al. | High-current-density gas ion ribbon beam formation | |
| RU2795950C1 (en) | Method for generating a pulse beam of light ions | |
| Pushkarev et al. | A spiral self-magnetically insulated ion diode | |
| Zhu et al. | Generation and transportation of high-intensity pulsed ion beam at varying background pressures | |
| Dudnikov | Forty-five years with cesiated surface plasma sources | |
| Nazarov et al. | Production of low-energy high-current electron beams in a reflected-discharge plasma-anode gun | |
| Zhu et al. | An improved pulse-line accelerator-driven, intense current-density, and high-brightness pseudospark electron beam | |
| Okamura et al. | Laser ion source for low-charge heavy ion beams | |
| 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 | |
| ABRASHITOV et al. | Interaction of a high-intensity relativistic electron beam with plasma in a magnetic field | |
| Shen et al. | Ultrafast Mega-electron-volt Gas-Phase Electron Diffraction at SLAC National Accelerator Laboratory | |
| 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 | |
| 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 | |
| Pushkarev et al. | Circular ion diode with self-magnetic insulation | |
| Opekounov et al. | Experimental research on ion ejection from previously created explosion-emitted plasma in magnetic insulated diodes | |
| 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 | |
| Manegold et al. | Studies of Collision and Compression of Pulsed Plasmas Generated by Coaxial Accelerators |