Помощь студентам в учебе
СТАБИЛИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ МОЩНОГО ИОННОГО ПУЧКА, ФОРМИРУЕМОГО В ДИОДЕ С МАГНИТНОЙ САМОИЗОЛЯЦИЕЙ
|
Введение 4
Глава 1. Исследование стабильности генерации МИП. Литературный обзор 8
Глава 2. Экспериментальный стенд 19
2.1 Импульсный ионный ускоритель 19
2.2. Ионный диод с магнитной самоизоляцией 22
2.3. Диагностика параметров МИП 24
2.3.1. Измерение плотности ионного тока 25
2.3.3. Акустическая диагностика МИП 30
2.3.3.1. Калибровка пьезодатчика по плотности энергии МИП 32
2.3.3.2. Калибровка пьезодатчика методом падающей массы 35
2.3.3.3. Измерение давления в области поглощения МИП 36
2.3.3.4. Влияние распределения энергии МИП по сечению на форму акустического
сигнала 35
2.4.1. Определение емкости ДФЛ 40
2.4.2. Баланс энергии в ДФЛ 43
2.4.3. Эффективность передачи энергии из ДФЛ в нагрузку 45
2.5. Выводы по главе 48
Глава 3. Исследование стабильности генерации МИП в диоде с магнитной самоизоляцией 50
3.1. Анализ корректности диагностики МИП по амплитуде импульса плотности ионного
тока и плотности энергии 50
3.1.1. Влияние разброса энергии ионов и сложного состава МИП 50
3.1.2. Влияние ускоренных нейтралов 51
3.1.3. Влияние изменения ускоряющего напряжения 52
3.1.4. Локальность диагностики 53
3.1.5. Дополнительное энергетическое воздействие электронов 54
3.1.6. Заключение 55
3.2. Работа ускорителя на резистивную нагрузку 56
3.3. Исследование стабильности плотности ионного тока 57
3.3.1. Плоский полосковый диод 58
3.3.2. Корреляция плотности ионного тока 59
3.3.3. Фокусирующий полосковый диод 61
3.4. Исследование стабильности плотности энергии 62
3.4.1. Фокусирующий полосковый диод
3.4.2. Ионные диоды другой конструкции 65
3.4.3. Эффект стабилизации энергии МИП, формируемого диодом с магнитной
самоизоляцией 69
3.5. Исследование транспортировки и фокусировки МИП 71
3.5.1. Исследование зарядовой нейтрализации МИП 73
3.5.2. Использование экрана в диоде с магнитной самоизоляцией 74
3.6. Выводы по 3 главе 75
Глава 4. Повышение стабильности генерации МИП 77
4.1. Исследование корреляции полной энергии и плотности энергии МИП 77
4.1.1. Фокусирующий полосковый диод 77
4.1.2. Спиральный диод 80
4.1.3. Ионные диоды другой конструкции 81
4.2. Определение источников нестабильности энергии пучка в серии импульсов 84
4.2.1. Работа ДФЛ на согласованную нагрузку 85
4.2.2. Работа ДФЛ на ионный диод с магнитной самоизоляцией 86
4.3. Стабилизация напряжения пробоя основного разрядника ДФЛ 87
4.3.1. Одноимпульсный режим работы ДФЛ 87
4.3.2. Изменение конструкции электродов разрядника 89
4.4. Управляемый режим работы основного разрядника 92
4.4.1. Медленный режим работы основного разрядника 92
4.4.2. Быстрый режим работы основного разрядника 96
4.4.3. Исследование стабильности распределения плотности энергии МИП по сечению в
серии импульсов 102
4.5. Баланс энергии в ускорителе ТЕМП-4М в управляемом режиме 106
4.6. Выводы по главе 4 107
Заключение 108
Список литературы 110
ПРИЛОЖЕНИЕ А
Глава 1. Исследование стабильности генерации МИП. Литературный обзор 8
Глава 2. Экспериментальный стенд 19
2.1 Импульсный ионный ускоритель 19
2.2. Ионный диод с магнитной самоизоляцией 22
2.3. Диагностика параметров МИП 24
2.3.1. Измерение плотности ионного тока 25
2.3.3. Акустическая диагностика МИП 30
2.3.3.1. Калибровка пьезодатчика по плотности энергии МИП 32
2.3.3.2. Калибровка пьезодатчика методом падающей массы 35
2.3.3.3. Измерение давления в области поглощения МИП 36
2.3.3.4. Влияние распределения энергии МИП по сечению на форму акустического
сигнала 35
2.4.1. Определение емкости ДФЛ 40
2.4.2. Баланс энергии в ДФЛ 43
2.4.3. Эффективность передачи энергии из ДФЛ в нагрузку 45
2.5. Выводы по главе 48
Глава 3. Исследование стабильности генерации МИП в диоде с магнитной самоизоляцией 50
3.1. Анализ корректности диагностики МИП по амплитуде импульса плотности ионного
тока и плотности энергии 50
3.1.1. Влияние разброса энергии ионов и сложного состава МИП 50
3.1.2. Влияние ускоренных нейтралов 51
3.1.3. Влияние изменения ускоряющего напряжения 52
3.1.4. Локальность диагностики 53
3.1.5. Дополнительное энергетическое воздействие электронов 54
3.1.6. Заключение 55
3.2. Работа ускорителя на резистивную нагрузку 56
3.3. Исследование стабильности плотности ионного тока 57
3.3.1. Плоский полосковый диод 58
3.3.2. Корреляция плотности ионного тока 59
3.3.3. Фокусирующий полосковый диод 61
3.4. Исследование стабильности плотности энергии 62
3.4.1. Фокусирующий полосковый диод
3.4.2. Ионные диоды другой конструкции 65
3.4.3. Эффект стабилизации энергии МИП, формируемого диодом с магнитной
самоизоляцией 69
3.5. Исследование транспортировки и фокусировки МИП 71
3.5.1. Исследование зарядовой нейтрализации МИП 73
3.5.2. Использование экрана в диоде с магнитной самоизоляцией 74
3.6. Выводы по 3 главе 75
Глава 4. Повышение стабильности генерации МИП 77
4.1. Исследование корреляции полной энергии и плотности энергии МИП 77
4.1.1. Фокусирующий полосковый диод 77
4.1.2. Спиральный диод 80
4.1.3. Ионные диоды другой конструкции 81
4.2. Определение источников нестабильности энергии пучка в серии импульсов 84
4.2.1. Работа ДФЛ на согласованную нагрузку 85
4.2.2. Работа ДФЛ на ионный диод с магнитной самоизоляцией 86
4.3. Стабилизация напряжения пробоя основного разрядника ДФЛ 87
4.3.1. Одноимпульсный режим работы ДФЛ 87
4.3.2. Изменение конструкции электродов разрядника 89
4.4. Управляемый режим работы основного разрядника 92
4.4.1. Медленный режим работы основного разрядника 92
4.4.2. Быстрый режим работы основного разрядника 96
4.4.3. Исследование стабильности распределения плотности энергии МИП по сечению в
серии импульсов 102
4.5. Баланс энергии в ускорителе ТЕМП-4М в управляемом режиме 106
4.6. Выводы по главе 4 107
Заключение 108
Список литературы 110
ПРИЛОЖЕНИЕ А
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. Диссертационная работа посвящена исследованию стабильности генерации ионного пучка из взрывоэмиссионной плазмы в режиме магнитной самоизоляции электронного потока в диоде.
Модификация импульсными энергетическими потоками (лазерные, электронные и ионные пучки, плазменные потоки) является перспективным направлением улучшения эксплуатационных свойств различных металлических изделий. При этом достигаются высокие скорости нагрева и последующего охлаждения их приповерхностного слоя, превышающие 107109 К/с. Давление в области поглощения достигает 108-1010 Па. Такое воздействие позволяет создавать твердые растворы и вторичные фазы, которые не характерны для равновесной диаграммы фазовых состояний [1]. Мощные ионные пучки (МИП) обеспечивают модификацию тонкого приповерхностного слоя без существенного изменения объемных свойств изделия. При плотности ионного тока (40-70) А/см2 и длительности импульса 100-150 нс плотность заряда за 1 импульс составляет (2-4) мкКл/см . Это соответствует флюенсу ионов за один импульс (1.3- 2.5)х1013 см-2. Пробег ионов с энергией 200-300 кэВ в металлах составляет 1-3 мкм и их концентрация в приповерхностном слое не превышает 1017 см-3. Плотность энергии МИП при этом достигает 1-5 Дж/см2. Поэтому основным фактором, определяющим изменение свойств изделия при облучении МИП, является тепловое воздействие, а не имплантация ионов. Наиболее важными параметрами генератора пучка заряженных частиц, определяющие возможность его технологического применения, являются ресурс непрерывной работы, стабильность параметров в серии импульсов и однородность по сечению.
Целью настоящей работы является повышение стабильности генерации МИП в диоде со взрывоэмиссионным катодом в двухимпульсном режиме при магнитной самоизоляции электронов.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Исследование основных факторов, влияющих на стабильность параметров мощного ионного пучка, формируемого диодом с магнитной самоизоляцией в двухимпульсном режиме.
2. Стабилизация плотности энергии и полной энергии МИП, формируемого диодом с магнитной самоизоляцией в двухимпульсном режиме.
3. Разработка акустической диагностики плотности энергии МИП.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Впервые выполнен систематический статистический анализ генерации ионного пучка гигаваттной мощности диодом со взрывоэмиссионным катодом в режиме магнитной самоизоляции. Получено, что среднеквадратичное отклонение полной энергии и плотности энергии ионного пучка в серии импульсов меньше среднеквадратичного отклонения плотности тока и заряда ионного пучка. Амплитуда плотности ионного тока в серии слабо зависит от амплитуды импульса ускоряющего напряжения и других выходных параметров ускорителя, коэффициент детерминации R < 0.3. В тоже время полная энергия пучка и плотность энергии однозначно определяются параметрами ускорителя, R > 0.9.
Впервые для увеличения стабильности напряжения пробоя основного разрядника двойной формирующей линии при генерации сдвоенных разнополярных импульсов первый импульс, поступающий в нагрузку, также использовали для запуска основного разрядника. Выполненные исследования показали значительное увеличение стабильности напряжения пробоя основного разрядника (в управляемом режиме), длительности первого импульса и амплитуды полного тока в диоде в серии импульсов.
Разработана акустическая диагностика плотности энергии мощного ионного пучка при поперечном расположении пьезодатчика к оси пучка, которая позволяет измерять плотность энергии ионного пучка и распределение плотности энергии по сечению при частоте следования до 103 имп/с.
Практическая значимость работы определяется тем, что её результаты использованы при разработке технологического генератора МИП с большим ресурсом работы и высокой стабильностью полной энергии и плотности энергии ионного пучка в серии импульсов. Результаты диссертационной работы использованы для модернизации ускорителя мощных ионных пучков ТЕМП-4М в Томском политехническом университете и ускорителя ТЕМП-6 в Даляньском технологическом университете, г. Далянь, Китай (имеются акты внедрения).
Положения и результаты, выносимые на защиту:
1. Акустическая диагностика плотности энергии мощного ионного пучка при поперечном расположении пьезодатчика к оси пучка позволяет измерять плотность энергии в диапазоне 0.1-2 Дж/см2 и распределение плотности энергии по сечению пучка с разрешением 5-7 мм при частоте следования до 103 имп/с.
2. В ионном диоде с графитовым взрывоэмиссионным катодом с магнитной самоизоляцией при работе в режиме сдвоенных разнополярных импульсов среднеквадратичное отклонение полной энергии и плотности энергии пучка в серии импульсов составляет 10-12%, что ниже среднеквадратичного отклонения плотности заряда пучка (18-20%).
3. Управляемый режим работы основного разрядника двойной формирующей линии при генерации сдвоенных разнополярных импульсов и запуске первым импульсом обеспечивает снижение среднеквадратичного отклонения напряжения пробоя с 4-6% до 1-2%, полного тока в диоде - с 5-6% до 2-3% и полной энергии ионного пучка с 10-15% до 5-6%.
Степень достоверности и апробация результатов работы
Выводы, сделанные в работе, были получены на основе комплексных исследований, включающих анализ баланса энергии в ускорителе по ВАХ диода и генератора наносекундных импульсов, статистический анализ амплитуды плотности ионного тока, полной энергии и плотности энергии МИП, тепловизионную и акустическую диагностики. При исследованиях использовались современные методики и оборудование для измерения параметров ионных пучков, адаптированные для двухимпульсного режима работы ионного диода. Калибровка диагностического оборудования показала, что оно корректно отражает работу ускорителя в режиме короткого замыкания и при работе на резистивную нагрузку 4-8 Ом (ускоряющее напряжение 250-300 кВ). Точность измерения напряжения, полного тока диода, плотности ионного тока, частотные характеристики диагностического оборудования позволяют рассчитать ионный и электронный ток в диоде с погрешностью не хуже 10%.
Основные положения и выводы диссертационной работы докладывались и обсуждались на профильных международных конференциях: 3rd International Congress on Radiation Physics and Chemistry of Condensed Matter, High Current Electronics and Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows, Томск, 2012; 18th International Conference on Surface
Modification of Materials by Ion Beams, Istanbul: IKMIB, 2013; Современные техника и технологии, I Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых учёных, Томск, 2012, 2013, 2014; Перспективы развития фундаментальных наук: Международная конференция студентов и молодых ученых, Томск, 2012, 2013, 2014.
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 10 статей в изданиях, входящих в перечень ВАК.
Структура и объём диссертации.
Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы. Она написана на 114 страницах машинописного текста, включая 112 рисунков, 16 таблиц, 86 источников литературы.
Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована цель работы, поставлены задачи и аргументирована научная новизна результатов исследований, показана практическая значимость полученных результатов, представлены выносимые на защиту положения.
В первой главе приведен литературный обзор публикаций по анализу стабильности работы ионных диодов различных конструкций.
Вторая глава описывает экспериментальный стенд, на котором проводились исследования, а также используемое диагностическое оборудование для измерения электрических параметров ускорителя и параметров МИП.
Третья глава посвящена исследованию стабильности генерации МИП в диоде с магнитной самоизоляцией. Приведены результаты исследования стабильности плотности ионного тока, полной энергии и плотности энергии МИП для диодов различной конструкции. Выполненный анализ стабильности генерации МИП ионным диодом с магнитной самоизоляцией в двухимпульсном режиме показал, что среднеквадратичное отклонение полной энергии и плотности энергии ионного пучка в серии импульсов ниже среднеквадратичного отклонения плотности заряда ионного пучка.
Четвёртая глава посвящена повышению стабильности генерации МИП в диоде с магнитной самоизоляцией. Для определения наиболее важных факторов, влияющих на стабильность генерации МИП, выполнен анализ корреляции полной энергии и плотности энергии пучка в фокусе с амплитудой импульса ускоряющего напряжения, амплитудой импульса полного тока в диоде и длительностью первого импульса при синхронных измерениях. Представлены результаты статистического анализа работы генератора наносекундных импульсов, состоящего из двойной формирующей линии, предварительного и основного газовых разрядников. Также были исследованы методы стабилизации генерации МИП в серии импульсов.
В заключении приведены основные результаты, полученные в диссертационной
Модификация импульсными энергетическими потоками (лазерные, электронные и ионные пучки, плазменные потоки) является перспективным направлением улучшения эксплуатационных свойств различных металлических изделий. При этом достигаются высокие скорости нагрева и последующего охлаждения их приповерхностного слоя, превышающие 107109 К/с. Давление в области поглощения достигает 108-1010 Па. Такое воздействие позволяет создавать твердые растворы и вторичные фазы, которые не характерны для равновесной диаграммы фазовых состояний [1]. Мощные ионные пучки (МИП) обеспечивают модификацию тонкого приповерхностного слоя без существенного изменения объемных свойств изделия. При плотности ионного тока (40-70) А/см2 и длительности импульса 100-150 нс плотность заряда за 1 импульс составляет (2-4) мкКл/см . Это соответствует флюенсу ионов за один импульс (1.3- 2.5)х1013 см-2. Пробег ионов с энергией 200-300 кэВ в металлах составляет 1-3 мкм и их концентрация в приповерхностном слое не превышает 1017 см-3. Плотность энергии МИП при этом достигает 1-5 Дж/см2. Поэтому основным фактором, определяющим изменение свойств изделия при облучении МИП, является тепловое воздействие, а не имплантация ионов. Наиболее важными параметрами генератора пучка заряженных частиц, определяющие возможность его технологического применения, являются ресурс непрерывной работы, стабильность параметров в серии импульсов и однородность по сечению.
Целью настоящей работы является повышение стабильности генерации МИП в диоде со взрывоэмиссионным катодом в двухимпульсном режиме при магнитной самоизоляции электронов.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Исследование основных факторов, влияющих на стабильность параметров мощного ионного пучка, формируемого диодом с магнитной самоизоляцией в двухимпульсном режиме.
2. Стабилизация плотности энергии и полной энергии МИП, формируемого диодом с магнитной самоизоляцией в двухимпульсном режиме.
3. Разработка акустической диагностики плотности энергии МИП.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Впервые выполнен систематический статистический анализ генерации ионного пучка гигаваттной мощности диодом со взрывоэмиссионным катодом в режиме магнитной самоизоляции. Получено, что среднеквадратичное отклонение полной энергии и плотности энергии ионного пучка в серии импульсов меньше среднеквадратичного отклонения плотности тока и заряда ионного пучка. Амплитуда плотности ионного тока в серии слабо зависит от амплитуды импульса ускоряющего напряжения и других выходных параметров ускорителя, коэффициент детерминации R < 0.3. В тоже время полная энергия пучка и плотность энергии однозначно определяются параметрами ускорителя, R > 0.9.
Впервые для увеличения стабильности напряжения пробоя основного разрядника двойной формирующей линии при генерации сдвоенных разнополярных импульсов первый импульс, поступающий в нагрузку, также использовали для запуска основного разрядника. Выполненные исследования показали значительное увеличение стабильности напряжения пробоя основного разрядника (в управляемом режиме), длительности первого импульса и амплитуды полного тока в диоде в серии импульсов.
Разработана акустическая диагностика плотности энергии мощного ионного пучка при поперечном расположении пьезодатчика к оси пучка, которая позволяет измерять плотность энергии ионного пучка и распределение плотности энергии по сечению при частоте следования до 103 имп/с.
Практическая значимость работы определяется тем, что её результаты использованы при разработке технологического генератора МИП с большим ресурсом работы и высокой стабильностью полной энергии и плотности энергии ионного пучка в серии импульсов. Результаты диссертационной работы использованы для модернизации ускорителя мощных ионных пучков ТЕМП-4М в Томском политехническом университете и ускорителя ТЕМП-6 в Даляньском технологическом университете, г. Далянь, Китай (имеются акты внедрения).
Положения и результаты, выносимые на защиту:
1. Акустическая диагностика плотности энергии мощного ионного пучка при поперечном расположении пьезодатчика к оси пучка позволяет измерять плотность энергии в диапазоне 0.1-2 Дж/см2 и распределение плотности энергии по сечению пучка с разрешением 5-7 мм при частоте следования до 103 имп/с.
2. В ионном диоде с графитовым взрывоэмиссионным катодом с магнитной самоизоляцией при работе в режиме сдвоенных разнополярных импульсов среднеквадратичное отклонение полной энергии и плотности энергии пучка в серии импульсов составляет 10-12%, что ниже среднеквадратичного отклонения плотности заряда пучка (18-20%).
3. Управляемый режим работы основного разрядника двойной формирующей линии при генерации сдвоенных разнополярных импульсов и запуске первым импульсом обеспечивает снижение среднеквадратичного отклонения напряжения пробоя с 4-6% до 1-2%, полного тока в диоде - с 5-6% до 2-3% и полной энергии ионного пучка с 10-15% до 5-6%.
Степень достоверности и апробация результатов работы
Выводы, сделанные в работе, были получены на основе комплексных исследований, включающих анализ баланса энергии в ускорителе по ВАХ диода и генератора наносекундных импульсов, статистический анализ амплитуды плотности ионного тока, полной энергии и плотности энергии МИП, тепловизионную и акустическую диагностики. При исследованиях использовались современные методики и оборудование для измерения параметров ионных пучков, адаптированные для двухимпульсного режима работы ионного диода. Калибровка диагностического оборудования показала, что оно корректно отражает работу ускорителя в режиме короткого замыкания и при работе на резистивную нагрузку 4-8 Ом (ускоряющее напряжение 250-300 кВ). Точность измерения напряжения, полного тока диода, плотности ионного тока, частотные характеристики диагностического оборудования позволяют рассчитать ионный и электронный ток в диоде с погрешностью не хуже 10%.
Основные положения и выводы диссертационной работы докладывались и обсуждались на профильных международных конференциях: 3rd International Congress on Radiation Physics and Chemistry of Condensed Matter, High Current Electronics and Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows, Томск, 2012; 18th International Conference on Surface
Modification of Materials by Ion Beams, Istanbul: IKMIB, 2013; Современные техника и технологии, I Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых учёных, Томск, 2012, 2013, 2014; Перспективы развития фундаментальных наук: Международная конференция студентов и молодых ученых, Томск, 2012, 2013, 2014.
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 10 статей в изданиях, входящих в перечень ВАК.
Структура и объём диссертации.
Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы. Она написана на 114 страницах машинописного текста, включая 112 рисунков, 16 таблиц, 86 источников литературы.
Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована цель работы, поставлены задачи и аргументирована научная новизна результатов исследований, показана практическая значимость полученных результатов, представлены выносимые на защиту положения.
В первой главе приведен литературный обзор публикаций по анализу стабильности работы ионных диодов различных конструкций.
Вторая глава описывает экспериментальный стенд, на котором проводились исследования, а также используемое диагностическое оборудование для измерения электрических параметров ускорителя и параметров МИП.
Третья глава посвящена исследованию стабильности генерации МИП в диоде с магнитной самоизоляцией. Приведены результаты исследования стабильности плотности ионного тока, полной энергии и плотности энергии МИП для диодов различной конструкции. Выполненный анализ стабильности генерации МИП ионным диодом с магнитной самоизоляцией в двухимпульсном режиме показал, что среднеквадратичное отклонение полной энергии и плотности энергии ионного пучка в серии импульсов ниже среднеквадратичного отклонения плотности заряда ионного пучка.
Четвёртая глава посвящена повышению стабильности генерации МИП в диоде с магнитной самоизоляцией. Для определения наиболее важных факторов, влияющих на стабильность генерации МИП, выполнен анализ корреляции полной энергии и плотности энергии пучка в фокусе с амплитудой импульса ускоряющего напряжения, амплитудой импульса полного тока в диоде и длительностью первого импульса при синхронных измерениях. Представлены результаты статистического анализа работы генератора наносекундных импульсов, состоящего из двойной формирующей линии, предварительного и основного газовых разрядников. Также были исследованы методы стабилизации генерации МИП в серии импульсов.
В заключении приведены основные результаты, полученные в диссертационной
Основные результаты работы состоят в следующем:
1. Выполнены комплексные исследования стабильности генерации пучка в диодах разной конструкции с магнитной самоизоляцией в двухимпульсном режиме. Выполнены исследования плоского полоскового, фокусирующего полоскового, конусного, кольцевого и спирального диодов. Получено, что в серии импульсов среднеквадратичное отклонение плотности ионного тока превышает 18-20%.
2. Для определения источников нестабильности генерации МИП выполнен анализ корреляции плотности ионного тока с амплитудой импульса ускоряющего напряжения, полного тока в диоде и длительностью первого импульса. Получено, что плотность ионного тока слабо зависит от выходных параметров ускорителя, коэффициент детерминации <0.3. Поэтому основной вклад в нестабильность генерации МИП вносят процессы в самом диоде. Дополнительным подтверждением слабого влияния внешних факторов на стабильность генерации МИП в диоде с магнитной самоизоляцией является незначительная корреляция плотности ионного тока, формируемого одновременно в разных частях ионного диода.
3. В серии импульсов полная энергия и плотность энергии меняются незначительно, среднеквадратичное отклонение не превышает 10-15%. Увеличение частоты следования импульсов до 5-6 имп/мин не снижает стабильность генерации пучка, она значительно выше, чем в ионных диодах другого типа - диодах с внешней магнитной изоляцией и с магнитной самоизоляцией, работающих в одноимпульсном режиме.
4. Высокая стабильность полной энергии и плотности энергии МИП в серии импульсов может быть обусловлена более эффективной (по сравнению с диодом с внешней магнитной изоляцией) перезарядкой ускоренных ионов в процессе упругого взаимодействия с молекулами остаточного газа в анод-катодном зазоре. В этом случае ионный диод с магнитной самоизоляцией в двухимпульсном режиме формирует комбинированный пучок, состоящий из ускоренных ионов и ускоренных нейтральных атомов, образованных в результате перезарядки части ускоренных ионов.
5. Выполненные исследования показали высокую корреляцию плотности энергии и полной энергии МИП, формируемого диодом с магнитной самоизоляцией в двухимпульсном режиме, с величиной полного заряда, переносимого в диоде в течение генерации пучка. Исследованы ионные диоды разной конструкции - полоскового фокусирующего и плоского диодов, конусного фокусирующего диода, спирального диода. Для всех исследованных диодов при разных А-К зазорах зависимость полной энергии пучка от полного заряда, переносимого в диоде в течение генерации пучка, описывается линейной функцией при среднеквадратичном отклонении экспериментальных данных от расчетных не более 10%.
6. Выполненные исследования показали наиболее сильную корреляционную зависимость полного заряда от длительности первого импульса напряжения. Коэффициент детерминации составил 0.8 для спирального диода и 0.9 для остальных диодов. Вклад других факторов в нестабильность полного заряда незначителен.
7. Для увеличения стабильности длительности первого импульса напряжения (в двухимпульсном режиме) первый импульс, поступающий в нагрузку ДФЛ, также использовали для запуска основного разрядника. Эксперименты показали высокую стабильность длительности первого импульса в серии, временной джиттер не превышал 10 нс в серии 50 импульсов. Среднеквадратичное отклонение напряжения пробоя основного разрядника снизилась до 1-2%.
8. Использование управляемого режима работы основного разрядника позволило снизить напряжение зарядки ДФЛ до величины, составляющей 0.9-0.95 от напряжения самопробоя основного разрядника, а энергию в первичном емкостном накопителе - до 2.5 кДж при той же энергии, запасаемой в ДФЛ. Это также повысило стабильность работы ускорителя и его ресурс.
9. Управляемый режим работы основного разрядника двойной формирующей линии при генерации сдвоенных разнополярных импульсов и запуске первым импульсом обеспечивает снижение среднеквадратичного отклонения полного тока в диоде - с 5-6% до 2-3% и полной энергии ионного пучка с 10-15% до 5-6%.
1. Выполнены комплексные исследования стабильности генерации пучка в диодах разной конструкции с магнитной самоизоляцией в двухимпульсном режиме. Выполнены исследования плоского полоскового, фокусирующего полоскового, конусного, кольцевого и спирального диодов. Получено, что в серии импульсов среднеквадратичное отклонение плотности ионного тока превышает 18-20%.
2. Для определения источников нестабильности генерации МИП выполнен анализ корреляции плотности ионного тока с амплитудой импульса ускоряющего напряжения, полного тока в диоде и длительностью первого импульса. Получено, что плотность ионного тока слабо зависит от выходных параметров ускорителя, коэффициент детерминации <0.3. Поэтому основной вклад в нестабильность генерации МИП вносят процессы в самом диоде. Дополнительным подтверждением слабого влияния внешних факторов на стабильность генерации МИП в диоде с магнитной самоизоляцией является незначительная корреляция плотности ионного тока, формируемого одновременно в разных частях ионного диода.
3. В серии импульсов полная энергия и плотность энергии меняются незначительно, среднеквадратичное отклонение не превышает 10-15%. Увеличение частоты следования импульсов до 5-6 имп/мин не снижает стабильность генерации пучка, она значительно выше, чем в ионных диодах другого типа - диодах с внешней магнитной изоляцией и с магнитной самоизоляцией, работающих в одноимпульсном режиме.
4. Высокая стабильность полной энергии и плотности энергии МИП в серии импульсов может быть обусловлена более эффективной (по сравнению с диодом с внешней магнитной изоляцией) перезарядкой ускоренных ионов в процессе упругого взаимодействия с молекулами остаточного газа в анод-катодном зазоре. В этом случае ионный диод с магнитной самоизоляцией в двухимпульсном режиме формирует комбинированный пучок, состоящий из ускоренных ионов и ускоренных нейтральных атомов, образованных в результате перезарядки части ускоренных ионов.
5. Выполненные исследования показали высокую корреляцию плотности энергии и полной энергии МИП, формируемого диодом с магнитной самоизоляцией в двухимпульсном режиме, с величиной полного заряда, переносимого в диоде в течение генерации пучка. Исследованы ионные диоды разной конструкции - полоскового фокусирующего и плоского диодов, конусного фокусирующего диода, спирального диода. Для всех исследованных диодов при разных А-К зазорах зависимость полной энергии пучка от полного заряда, переносимого в диоде в течение генерации пучка, описывается линейной функцией при среднеквадратичном отклонении экспериментальных данных от расчетных не более 10%.
6. Выполненные исследования показали наиболее сильную корреляционную зависимость полного заряда от длительности первого импульса напряжения. Коэффициент детерминации составил 0.8 для спирального диода и 0.9 для остальных диодов. Вклад других факторов в нестабильность полного заряда незначителен.
7. Для увеличения стабильности длительности первого импульса напряжения (в двухимпульсном режиме) первый импульс, поступающий в нагрузку ДФЛ, также использовали для запуска основного разрядника. Эксперименты показали высокую стабильность длительности первого импульса в серии, временной джиттер не превышал 10 нс в серии 50 импульсов. Среднеквадратичное отклонение напряжения пробоя основного разрядника снизилась до 1-2%.
8. Использование управляемого режима работы основного разрядника позволило снизить напряжение зарядки ДФЛ до величины, составляющей 0.9-0.95 от напряжения самопробоя основного разрядника, а энергию в первичном емкостном накопителе - до 2.5 кДж при той же энергии, запасаемой в ДФЛ. Это также повысило стабильность работы ускорителя и его ресурс.
9. Управляемый режим работы основного разрядника двойной формирующей линии при генерации сдвоенных разнополярных импульсов и запуске первым импульсом обеспечивает снижение среднеквадратичного отклонения полного тока в диоде - с 5-6% до 2-3% и полной энергии ионного пучка с 10-15% до 5-6%.