Генерация мощного ионного пучка из взрывоэмиссионной плазмы в ионном диоде с магнитной самоизоляцией

• Автор: Исакова, Юлия Ивановна
• Шифр специальности: 01.04.20
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 128 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. Генерация МИП в диодах с магнитной самоизоляцией. Литературный обзор....9 ГЛАВА 2. Экспериментальная установка и используемое диагностическое оборудование

2.1. Импульсный ионный ускоритель ТЕМП -4М
2.1.1. Принцип работы и параметры ускорителя ТЕМП -4М
2.1.2. Диагностическое оборудование ускорителя ТЕМП-4М
2.2. Эффективность передачи энергии в ускорителе ТЕМП-4М
2.2.1. Баланс энергии при работе на согласованную нагрузку
2.2.2. Баланс энергии при генерации МИП
2.3. Ионный диод с магнитной самоизоляцией
2.3.1. Конструкции диодов с магнитной самоизоляцией
2.3.2. Определение индуктивности диодного узла
2.3.3. Исследование режима работы диода
2.4. Диагностика параметров МИП
2.4.1. Времяпролетная диагностика состава и энергетического спектра МИП
2.4.1.1. Определение состава пучка
2.4.1.2. Определение энергетического спектра ионов
2.4.2. Тепловизионная диагностика МИП
2.4.2.1. Методика измерения распределения плотности энергии ионного пучка
2.4.2.2. Расчет времени прогрева мишени по толщине
; 2.4.2.3. Исследование охлаждения мишени
2.4.2.4. Анализ влияния электронов на нагрев мишени
2.4.2.5. Влияние взрывоэмиссионной плазмы на нагрев мишени
2.4.2.6. Влияние теплового излучения диода на нагрев мишени
2А.2.1. Влияние абляции материала мишени
2.5. Выводы по главе
ГЛАВА 3. Исследование плазмообразования и генерации ионного тока в диоде с
магнитной самоизоляцией
3.1. Анализ плазмобразования в ионном диоде с взрывоэмиссионным катодом
3.1.1. Описание работы диода на первом импульсе и анализ ВАХ
3.1.2. Влияние анодной плазмы
3.1.3. Определение скорости разлета взрывоэмиссионной плазмы

3.2. Влияние условий плазмообразования на стабильность параметров МИП в серии
импульсов
3.2.1. Работа ускорителя без зарядной индуктивности на согласованную нагрузку.
3.2.2. Работа ускорителя без зарядной индуктивности в режиме генерации МИП
3.3 Исследование влияния однородности генерации плазмы на параметры МИП
3.3.1 Исследование полоскового планарного диода
3.3.2. Исследование полоскового фокусирующего диода
3.4. Локальное усиление плотности МИП в диоде
3.5. Выводы по главе
ГЛАВА 4. Исследование подавления электронного тока в ионном диоде с магнитной
самоизоляцией
4.1. Экспериментальное исследование подавления электронного тока
4.1.1. Исследование работы диода в двухимпульсном режиме
4.1.2. Исследование работы диода в одноимпульсном режиме
4.1.3. Исследование работы диода без магнитной самоизоляции
4.2. Математическое моделирование подавления электронного тока
4.2.1. Расчет магнитной индукции в А-К зазоре
4.2.2. Исследование изменения магнитной индукции вдоль диода
4.2.3. Влияние индуктивности заземленного электрода
4.2.4. Расчет времени дрейфа электронов
4.2.5. Расчет времени ускорения ионов
4.3. Механизм подавления электронного тока
4.4. Спиральный ионный диод с магнитной самоизоляцией
4.4.1. Конструкция спирального диода и основные характеристики
4.4.2. Моделирование конфигурации магнитного поля в спиральном диоде
4.4.3. Исследование времени дрейфа электронов и ускорения ионов
4.4.4. Эффективность генерации МИП в спиральном диоде
4.5. Выводы к главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ
ПРИЛОЖЕНИЕ А
ПРИЛОЖЕНИЕ Б
ПРИЛОЖЕНИЕ В
ПРИЛОЖЕНИЕ Г
ПРИЛОЖЕНИЕ Д
ВВЕДЕНИЕ
Научная область, к которой относятся материалы, изложенные в диссертации - генерация и применение мощных ионных пучков. Объект исследований - ионный диод со взрывоэмиссионным катодом, работающий в режиме магнитной самоизоляции. Настоящая диссертационная работа посвящена экспериментальному исследованию и моделированию процессов генерации ионного пучка из взрывоэмиссионной плазмы в режиме магнитной самоизоляции электронного потока в диоде при апериодическом режиме зарядки двойной формирующей линии (в отсутствии зарядной индуктивности).
Актуальность работы
Радиационно-пучковое модифицирование металлических изделий мощными ионными пучками (МИП) обеспечивает высокие скорости нагрева и последующего охлаждения их приповерхностного слоя, превышающие 107-108 К/с. Это позволяет получать составы и структуры, недоступные ни одному из традиционных металлургических способов. При этом образуются твердые растворы и вторичные фазы, не характерные для равновесной диаграммы фазовых состояний. Сочетание высокого пресыщения твердого раствора, дисперсного, структурного и субструктурного строения создает уникальные эффекты повышения поверхностной прочности, износостойкости и улучшения других свойств материалов [1]. Данный метод имеет более широкие возможности модификации структуры и свойств приповерхностного слоя по сравнению с термической обработкой, поверхностным пластическим деформированием и др. [2, 3].
Первые работы по воздействию МИП на материалы с целью улучшения их физикохимических и эксплуатационных свойств появились в Корнельском университете США [4] и Томском Политехническом университете (НИИ ЯФ) [5] в начале 80-х годов. Развитие работ в НИИ ЯФ по генерации МИП и большой интерес к их практическому использованию привели к созданию серии ионных ускорителей «ТЕМП» [6], работающих в двухимпульсном режиме с ионным диодом с магнитной самоизоляцией. Ионный диод с магнитной самоизоляцией и взрывоэмиссионным катодом имеет высокий ресурс непрерывной работы, превышающий I О6 импульсов. У диодов другого типа ресурс работы без разрушения не превышает 1000 импульсов [7]. Отличительной особенностью ускорителей серии ТЕМП является наличие зарядной индуктивности, соединяющей электрод внутренней линии ДФЛ с корпусом. Зарядная индуктивность, включенная параллельно диоду, обеспечивает зарядку внутренней линии ДФЛ после срабатывания предразрядника, но снижает эффективность передачи энергии из ДФЛ в диод. При модернизации ускорителя ТЕМП-4 в 2009 году авторами [8] предложено убрать зарядную индуктивность в ДФЛ. Зарядка происходила только через предва-

Для анализа причин ограничения тока через диод на первом импульсе исследовали работу диода при нарушении условий магнитной самоизоляции. Для обеспечения изоляции диода собственным током заземленный электрод соединяли с корпусом камеры только с одной стороны, при этом ток по полоску протекает в одном направлении (к точке заземления). На рисунке 23 приведена фотография заземления электрода в нескольких точках и соответствующие осциллограммы тока и напряжения (рисунок 24).
Рисунок 23 - Фотография фокусирующего диода с заземлением полоска в нескольких точках
I КА и, кУ АН 01 1 =0 зазор 7 мм I, кА

-25 -50
0 100 200 300 400 500 600 1, ПЭ 0 100 200 300 400 500 600 Ь ПЭ
Рисунок 24 - Осциллограммы тока (1) и напряжения (2) на диоде: а) заземлено с одной стороны; б) заземлено в нескольких точках (Рисунок 23). Зазор 7 мм.
На рисунке 246 видно, что при нарушении условий самоизоляции амплитуда полного тока достигает величины 25 кА уже спустя 30 не после приложения напряжения. Быстрый рост тока через диод обеспечивает быстрый рост потенциала на емкости С';,2, что приводит к выравниванию уровня напряжений на емкостях Сл: и СЛ2 формирующей линии через 250 не (ток равен нулю на рисунке 246). Работа диода в данном режиме не обеспечивает эффективную работу ДФЛ на диод без зарядной индуктивности.