WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 3 02;10;12 Фокусировка интенсивного нейтрализованного протонного пучка 2 © В.И. Энгелько,1 Х. Гизе,2 В.С. Кузнецов,1 Г.А. Вязьменова,1 С. Шальк 1 Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова, 196641 Санкт-Петербург, Россия 2 Исследовательский центр Карлсруэ, 76021 Карлсруэ, Германия e-mail: engelko@niiefa.spb.su (Поcтупило в Редакцию 12 апреля 2001 г.) Исследована фокусировка интенсивного пучка протонов низкой энергии (15-20 keV), осуществляемая в две стадии: баллистическая фокусировка и последующее магнитное сжатие. Для генерации пучка используется широкоапертурный источник МАИС, плазма в котором создается в большом количестве разрядных элементов с помощью разряда по поверхности полиэтилена. Установлено, что при наличии внешнего магнитного поля пучок является перекомпенсированным электронами, поступающими с катодных сеток источника и мишени.

Максимальная эффективность фокусировки пучка (более 70%) достигается через 10 µs после начала импульса в случае, когда мишень находится под отрицательным потенциалом. Степень сжатия пучка по площади при этом составляет 1.6 · 103. Проведено численное моделирование фокусировки, результаты которого хорошо соответствуют результатам измерений.

Введение Экспериментальная установка Интенсивные импульсные пучки протонов низкой Схема экспериментальной установки показана на энергии с плотностью мощности до 10 MW/cm2 нужны рис. 1. Она включает в себя плазменный источник для исследования поведения материалов первой стенки ионов, две катодные сетки, область баллистической фои дивертора термоядерного реактора при аномальных кусировки, область магнитного сжатия, мишенную камережимах его работы. Требуемые параметры пучка: энер- ру. Длина области баллистической фокусировки 0.6 m.

гия протонов 10-30 keV, длительность импульса 10 µs, Длина области магнитного сжатия 0.6 m. Индукция плотность мощности до 10 MW/cm2 (соответственно магнитного поля в области эмиссии 2 · 10-3 T, в области плотность тока 0.3-1kA/cm2). При линейных размерах баллистического фокуса — 0.4 T и в области мишени — исследуемых образцов материалов 1cm полный ток 4.5 T. Распределение магнитного поля по оси установки пучка должен составлять 1kA. показано на рис. 1. Высоковольтный генератор позволяет формировать импульсы напряжения с длительностью Схема формирования протонного пучка с указанными плоской части около 30 µs. Описываемые эксперименты параметрами была рассмотрена в [1]. Она включает были проведены при амплитуде импульсов напряжения следующие этапы: 1) получение пучка с плотностью тока 0.1kA/cm2 и площадью 104 cm2; 2) фокуси- до 20 kV. Потенциалы первой и второй катодных сеток --ровка пучка в две стадии: баллистическая фокусиров- были равны -1kV и -100- V соответственно.

При таких значениях потенциалов отсутствовали осцилка и последующее магнитное сжатие, реализуемые на ляции тока пучка и обеспечивалась наилучшая компендлине 1.5 m при помощи продольного магнитного сация его объемного заряда. Давление остаточного газа поля, возрастающего в направлении распространения было равно 5 · 10-5 Torr.

пучка. Инжекция пучка в нарастающее магнитное поле необходима не только для его фокусировки, но так- Измерялись следующие параметры: ускоряющее наже для проведения исследований эрозии материалов в пряжение — резистивным делителем, разрядный ток типичных условиях реактора, где магнитная индукция ионного источника, токи на катодные сетки, ток на достигает 5 T. Для проверки возможности реализации стенку канала фокусировки, ионный ток — поясами этой схемы была создана установка PROFA [2], габариты Роговского. Ток ионного пучка на мишень измерялся которой позволяют моделировать схему формирования трехэлектродным датчиком (ТЭД), состоящим из внешпучка при следующих параметрах: диаметр пучка в обла- него заземленного электрода, управляющего электрода сти эмиссии 0.44 m, длина канала фокусировки 1.2 m. и цилиндра Фарадея. Геометрия всех электродов цилиндДля генерации протонного пучка большой площади был рическая, входные отверстия внешнего и управляющего разработан источник, конструкция которого и характе- электродов закрыты сетками. На управляющий электрод ристики пучка описаны в [3]. В настоящей работе и цилиндр Фрадея подаются потенциалы смещения. Приприводятся результаты экспериментов по фокусировке менение такого датчика позволяет не только измерить протонного пучка и их анализ. ионный ток, но и получить информацию об энергии и 70 В.И. Энгелько, Х. Гизе, В.С. Кузнецов, Г.А. Вязьменова, С. Шальк Рис. 1. Принципиальная схема установки PROFA: BFP — плоскость баллистического фокуса; MFC —катушки, создающие магнитное поле; WP — проволочный зонд; CP — емкостной датчик.

плотности электронов, компенсирующих объемный за- ТЭД, перемещаемым вдоль поверхности второй катодряд пучка и движующихся вместе с ионами. Методика по- ной сетки. Центр углового перемещения ТЭД находился лучения этой информации, основанная на исследовании в центре кривизны сетки, угловое положение датчика зависимости коллекторного тока от потенциала второй отсчитывалось от оси системы. Ускоряющее напряжение сетки, описана в [4,5]. Плотность тока в области ми- Ua 20 kV, полный ток ионного пучка 58 A. Кривая шени измерялась подвижным ТЭД с диаметром входной получена при модифицированной конструкции ионного апертуры 1 mm, распределение плотности энергии — миниатюрными подвижными калориметрами. Распределение плотности тока на входе в канал фокусировки измерялось ТЭД, перемещаемым вдоль поверхности второй катодной сетки на расстояние 7 cm от нее. Распределение плотности тока в области баллистического фокуса — подвижным ТЭД, а также датчиком, состоящим из кольцевых коллекторов, расположенных за сеткой, на которую подается отрицательный потенциал для задержки вторично-эмиссионных электронов. Потенциал пространства в области фокусировки измерялся емкостным датчиком. Для получения информации о динамике объемного заряда в канале фокусировки использовались емкостной датчик и проволочный зонд.

Результаты экспериментов Рис. 2. Распределение плотности тока на выходе из источника а) Фокусировка пучка при отсутствии в зависимости от угла позиции ТЭД. 1 — для источника внешнего магнитного поля. На рис. 2 показано с двумя катодными сетками, 2 — для источника с дополнираспределение плотности ионного тока, измеренного тельной сеткой, 3 — расчет по закону Чайльда–Ленгмюра.

Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. Фокусировка интенсивного нейтрализованного протонного пучка источника, когда между разрядным электродом и сеткой была установлена дополнительная сетка с прозрачностью 35%. Точками показана плотность тока, соответствующая закону Чайльда–Ленгмюра при U = 20 kV и ускоряющем зазоре (между анодной и первой катодной сетками) 1.5 cm. Некоторое ее снижение на периферии обусловлено неидеальностью геометрии сеток.

Видно, что установка дополнительной сетки приводит к существенному улучшению качества ионного пучка.

К сожалению, при этом заметно уменьшается его ток.

Здесь нас будет интересовать в основном сильноточный режим работы источника. Как видно, в этом случае распределение плотности тока на входе в канал фокусировки имеет вид кривой Гаусса. В центральной части плотность тока превышает значение Чайльда–Ленгмюра. Это сви- Рис. 4. Сигналы с емкостного датчика UCP и проволочного зонда UWP. Сплошная кривая — при наличии, штриховая — детельствует, по-видимому, о проникновении плазмы в при отсутствии внешнего магнитного поля.

ускоряющий промежуток.

На рис. 3 приведено распределение плотности тока в сечении баллистического кроссовера, полученное с помощью ТЭД в условиях, при которых было снято значения коэффициентов ионно-электронной эмиссии:

распределение 1 на рис. 2.

с первой сетки 1 = 1.4, со второй 2 = 1.7. ТемператуРис. 4 иллюстрирует сигнал с емкостного датчика, ра электронов, полученная из обработки вольт-амперной расположенного на расстоянии 40 cm от анодной сетки и характеристики ТЭД, составляет 20 eV.

4 cm от оси пучка. Видно, что стационарное распределеб) Фокусировка пучка при наличии внешние объемного заряда в пучке устанавливается примерно него магнитного поля. Наложение внешнего магза 3 µs. Пучок недокомпенсирован, остаточный потенцинитного поля улучшает фокусировку пучка в баллистиал составляет около 100 V. На периферии канала трансческой области. Это видно из рис. 3, на котором показано портировки потенциал имеет отрицательную величину.

распределение плотности тока в области баллистическоТаким образом, при отсутствии внешнего магнитного го кроссовера при наличии магнитного поля и без него.

поля радиальное распределение потенциала свидетельДинамика объемного заряда в канале фокусировки ствует о классическом распределении объемного заряда видна из сигналов емкостного датчика и проволочного в канале фокусировки: недокомпенсированный ионный зонда, показанных на рис. 4. Стационарное распределепоток, окруженный ”электронной шубой”.

ние потенциала устанавливается за 3-4 µs. Через это Электроны, компенсирующие объемный заряд ионного время, как видно из сигнала на проволочный зонд, в пучка, поступают за счет ионно-электронной эмиссии с канале фокусировки начинается накопление электронов.

катодных сеток и стенки канала фокусировки. Обработка В стационарном состоянии пучок перекомпенсирован, осциллограмм токов на катодные сетки дает следующие потенциал в области его прохождения равен примерно -200 V. Информацию о динамике объемного заряда дает также ток на стенку канала фокусировки, осциллограмма которого показана на рис. 5. Видно, что после установления стационарного потенциала в фокусирующем канале ток на его стенку имеет отрицательную величину. Это свидетельствует о движении электронов поперек магнитного поля. При наличии магнитного поля компенсация объемного заряда пучка осуществляется вторично-эмиссионными электронами с катодных сеток.

Обработка осциллограмм сеточных токов дает 1 = 1.4, 2 = 1.6. Электронный ток с катодных сеток превышает ионный ток, инжектируемый в канал фокусировки. Температура электронов равна 100 eV.

Динамика объемного заряда и эффективность фокусировки ионного пучка существенно зависят от потенциала мишени. Это видно из рис. 5, 6, на которых показаны зависимости от времени токов на стенку фокусирующего Рис. 3. Распределение плотности тока в плоскости баллистиканала и эффективность фокусировки пучка (отношение ческого фокуса при наличии (1) и отсутствии (2) внешнего тока на мишень к полному току пучка) при разных магнитного поля.

Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 72 В.И. Энгелько, Х. Гизе, В.С. Кузнецов, Г.А. Вязьменова, С. Шальк в канал фокусировки поставляются в основном катодными сетками.

Наименьшая эффективность фокусировки имеет место при положительных потенциалах мишени. Этот факт является довольно очевидным, так как в этом случае происходит отбор электронов из пучка на мишень, приводящий к ухудшению компенсации его объемного заряда. При заземленной мишени также происходит отбор электронов на нее, однако с меньшей интенсивностью, чем при положительном потенциале мишени. Как уже отмечалось, пучок при этом оказывается перекомпенсированным. Максимальная эффективность его транспортировки, достигаемая через 7-8 µs после начала импульса, составляет 20%.

Рис. 5. Осциллограммы токов на стенку канала фокусировки Наибольшая эффективность фокусировки пучка достипри различных потенциалах мишени: 1 — отрицательный, гается при отрицательном потенциале мишени, большем 2 — нулевой, 3 — положительный.

либо равном потенциалу второй катодной сетки. Максимальное ее значение 70% достигается через 10 µs от начала импульса. Очевидно, что накопление электронов в области фокусировки в этом случае происходит более активно, так как мишень не только не забирает электроны, но и сама участвует в их накоплении. Это видно, в частности, из осциллограммы тока на камеру: при отрицательном потенциале мишени он на 2 µs раньше становится отрицательным и имеет большую величину.

Эффективность фокусировки пучка измерялась также калориметрическим методом. Результат показан на рис. 6. Видно, что он хорошо соответствует данным, полученным интегрированием осциллограмм тока пучка и ускоряющего напряжения. Отсюда можно также сделать вывод о достоверности результатов измерения эффективности фокусировки пучка.

На рис. 7 показан профиль ионного пучка, измеренный Рис. 6. Эффективности фокусировки пучка по току 1 и по с помощью массива миникалориметров. Полный диаметр энергии W, полученные на плоской мишени (1), с помощью пучка составляет 30 mm, величина, соответствующая двухэлектродного датчика (2) и с помощью калориметра (3).

полувысоте распределения, 11 mm.

потенциалах мишени. В данных измерениях использовались два варианта мишеней: а) плоский алюминиевый диск диаметром 3 cm; б) двухэлектродный датчик (ДЭД), коллектор которого заземлен, а на сетку подавался отрицательный потенциал, такой же как на плоскую мишень.

Недостатком измерений с плоской мишенью является то, что при достаточно большом отрицательном потенциале мишени на величину измеряемого тока может оказывать влияние электронно-ионная эмиссия. Для оценки степени этого влияния были проведены измерения, в которых мишенью служил ДЭД. Результаты измерений показаны на рис. 6. Видно, что различие в результатах измерений с ДЭД и плоской мишенью имеется только в начальной части импульса. Таким образом, можно сделать вывод о том, что вторичная электронная эмиссия с мишени оказывает влияние на процесс нейтрализации Рис. 7. Профиль плотности энергии ионного пучка ws в плособъемного заряда пучка и величину тока пучка на ми- кости мишени, нормированный на максимальное значение.

шень только в течение 5-6 µs. В дальнейшем электроны Значки — эксперимент, кривая — вычисления.

Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. Фокусировка интенсивного нейтрализованного протонного пучка Анализ результатов измерений тодных сеток и мишени m, эмиттирующей электроны в пучок, когда она находится под отрицательным Анализ результатов измерений проводился с помопотенциалом; Ii — ток ионного пучка; D — коэффициент щью численного моделирования. Целью его являлась диффузии; e — плотность пространственного заряда разработка физической модели процесса фокусировки электронов; kTe — тепловая энергия электрона; e — пучка, результаты расчета по которой дают наилучшее заряд электрона; Er — радиальная компонента напрясоответствие результатам экспериментов. Было рассмотженности электрического поля; r — текущее значение рено несколько моделей, отличающихся деталями комрадиуса пучка.

пенсации объемного заряда пучка. Наилучшее согласие При равномерном распределении плотности заряда в с экспериментом дает описываемая ниже модель.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.