Занятие_2. Диагностическое оборудование.

Лекция 5. Калибровка ускорителя ТЕМП-4М
1. Калибровка диагностического оборудования на согласованную нагрузку
2. Измерение эффективности передачи энергии из ДФЛ в нагрузку
3. Баланс энергии в диодном узле при генерации МИП
4. Исследование стабильности работы ускорителя
1
Alexander I. Pushkarev, Yulia I.
Isakova A gigawatt power pulsed
ion beam generator for industrial
application // Surface and
Coatings Technology (2012) DOI:
http://dx.doi.org/10.1016/j.surfcoat
.2012.05.094
Параметры ускорителя ТЕМП-4М:
• ускоряющее напряжение 250 – 300 кВ;
• длительность ускоряющего импульса 150 нс;
• плотность ионного тока на мишени
50 – 250 А/см2;
• частота импульсов 5 - 10 имп./мин.
• Beam composition: ions of carbon (C+, C2+, C3+) and protons,
2
2
3
1. Режимы зарядки ДФЛ. Одноимпульсный режим.
индуктивность
U
I
4
5
Режимы зарядки ДФЛ. Двухимпульсный режим работы ДФЛ
Схема зарядки ДФЛ в двухимпульсном режиме.
6
1. Калибровка диагностического оборудования на
согласованную нагрузку
Функциональная схема ускорителя:
1 – генератор импульсного напряжения;
2 – двойная формирующая линия,
3 - диодная камера,
4 – нагрузка.
Калибровка делителя напряжения и пояса Роговского ГИН.
Одноимпульсный режим.
Осциллограммы напряжения и тока на выходе ГИНа и расчетные значения напряжения.
t
Q (t )   I (t )dt  C12  U (t ) 
Зарядное напряжение ДФЛ
рассчитывали по формуле:
0
t
1
U (t ) 
  I (t )dt
C12 0
Двухимпульсный режим работы ДФЛ
Осциллограммы напряжения и тока на выходе ГИНа и расчетные значения напряжения.
t
Зарядное
напряжение ДФЛ
рассчитывали по
формуле:
Q (t )   I (t )dt  C1  U (t ) 
0
t
1
U (t ) 
 I (t )dt
C1 0
Конструкция ДФЛ ускорителя ТЕМП-4М.
C
Для конденсатора цилиндрической
конструкции емкость равна:
20  l
R
ln  2
 R1



где l- длина электродов, R1 и R2 – радиусы внутреннего и внешнего электродов ДФЛ
диаметр
длина
Длина
перекрытия
Срасч
Сэксп
ρ
Внутренняя линия
150 мм
123 см
119 см
12.5 нФ
10 нФ
2.84 Ом
Средняя линия
230 мм
125 см
125 см
18 нФ
14 нФ
2.12 Ом
Корпус
316 мм
129 см
Переходная
камера
160 мм
18 см
1.2 нФ
4.52 Ом
10
Калибровка делителя напряжения и пояса Роговского ДФЛ
на согласованную нагрузку
Калибровка поясов Роговского на согласованную нагрузку
Активная
нагрузка
R=5.2 Ом, L=240
нГн
Осциллограммы сигналов с поясов
Роговского на выходе ДФЛ и с шунта.
Калибровка делителя напряжения. Одноимпульсный режим
Экспериментальные значения напряжения и тока на выходе ДФЛ и расчетные
значения напряжения
Напряжение, прикладываемое к диоду
рассчитывали по формуле:
U  Rн  I пр  L
dI пр
dt
Калибровка делителя напряжения. Двухимпульсный режим
Экспериментальные значения напряжения и тока на выходе ДФЛ и расчетные значения
напряжения
Напряжение, прикладываемое к диоду
рассчитывали по формуле:
U  Rн  I пр  L
dI пр
dt
Oscilloscope traces of voltage and current
R = 5.2 Ohm, L1+L2 = 240 nH
Ucalc=R·I+(L1+L2)∙dI/dt
L2 
 0  l  4l 
 1  140nH
 ln
2  d

Калантаров П.Л., Цейдлин Л.А. Расчет индуктивностей. Справочная книга. Ленинград, Энергоатомиздат, 1986, 48815
стр.
15
Для прямолинейного проводника на высокой частоте индуктивность можно рассчитать
по соотношению [1]:
L
0  l  4l 
 ln  1, Гн
2  d

где μ0 – магнитная постоянная (1.26·10-6 Гн/м); l – длина проводника, м; d – диаметр
проводника, м.
Для нагрузки ДФЛ, выполненной из трубы с длиной 70 см и диаметром 7 см,
индуктивность равна:
1.26  106  0.7  4  0.7 
L
 1  0.378  10 6 Гн  378 нГн
 ln
2
 0.07

Индуктивность в расчетах принимали равной 240 нГн.
Она включает индуктивность потенциального электрода и индуктивность нагрузки.
1. Калантаров П.Л., Цейтлин Л.А. Расчет индуктивностей: Справочная книга.- Л., Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1986.488 с.
16
Баланс энергии ДФЛ при работе на согласованную нагрузку
Энергию, передаваемую из ГИН в
ДФЛ, рассчитывали по формуле:
Q ГИН   U ГИН  I ПР dt
Энергия, поступающая на первом импульсе из ГИН в ДФЛ, расходуется не только
на зарядку средней и внутренней линии, но и на резистивные потери в нагрузке.
Тогда полная энергия в ДФЛ к началу генерации основного импульса напряжения равна
разности энергии, передаваемой из ГИН в ДФЛ, и резистивных потерь. Эти потери можно
рассчитать как интеграл произведения тока в диодном узле на напряжение (на выходе ДФЛ) в
течение первого импульса.
Qдфл = Qгин - Q-
Баланс энергии ДФЛ при работе на согласованную нагрузку
Зависимость энергии, переданной из ДФЛ в
нагрузку
в
течение
основного
импульса
и
послеимпульсов (1) и в течение основного импульса
(2), от энергии в ДФЛ. Зависимость 3 – данные для
режима с зарядной индуктивностью (одноимпульсный и
двухимпульсный режим).
19
20
21
22
23
Ratio of Esingle-pulse/Eout in case of 50 Ohm load
24
Баланс энергии в ДФЛ при генерации МИП
Зависимость энергии, переданной из ДФЛ в диодный узел в течение основного
импульса и послеимпульсов (1) и в течение основного импульса (2), от энергии в
ДФЛ.
26
Зависимость потерь энергии в ДФЛ от энергии, передаваемой из ГИН в ДФЛ, при
работе ускорителя на резистивную нагрузку (1) и диод (2).
27
Баланс энергии в диодном узле при генерации МИП
Зависимость энергии МИП от энергии,
подводимой к диоду в течение генерации ионного
пучка (точки). Кривая 1 – эффективность
генерации 5.4%, кривая 3 – предельная
эффективность генерации ионов С+ в режиме
ограничения объемным зарядом (0.7%).
СТАБИЛИЗАЦИЯ ГЕНЕРАЦИИ ИМПУЛЬСНОГО ИОННОГО ПУЧКА В
ДИОДЕ С МАГНИТНОЙ САМОИЗОЛЯЦИЕЙ
1. Литературный обзор
2. Экспериментальный стенд
3. Исследование стабильности работы
ускорителя на согласованную нагрузку.
4. Исследование стабильности генерации МИП в
плоском диоде
5. Исследование корреляции плотности тока
МИП
6. Исследование стабильности генерации МИП в
фокусирующем диоде
7. Анализ источников нестабильности генерации
МИП
Заключение
60
50
A.I. Pushkarev, Yu.I. Isakova, I.P. Khailov Shot-toshot reproducibility of a self-magnetically insulated
ion diode // Review of Scientific Instruments,
Volume 83, Issue 7, Article ID 073309 (2012)
Count
40
30
20
10
0
20
30
40
50
Bin Center
60
70
29
Введение
Наиболее важными параметрами генератора МИП, определяющие
возможность его технологического применения, являются :
- ресурс непрерывной работы
- стабильность параметров в серии импульсов.
30
1. Литературный обзор
Davis H.A., Bartsch R.R., Olson J.C., Rej D.J., and Waganaar W.J. J. Appl. Phys. 1997 Vol. 2
№ 7. P. 3223.
Стандартная девиация
плотности энергии МИП 30-40%.
Зависимость плотности энергии, рассчитанной по ЦФ, от
плотности энергии, измеренной тепловизором.
31
X. P. Zhu, M. K. Lei, Z. H. Dong, and T. C. Ma. Rev. Sci. Instrum., Vol. 74, No. 1,
(2003). pp.47-52
Диодный узел ускорителя ТЕМП-6, изменения плотности ионного тока и напряжения в
серии импульсов
Стандартная девиация 15-20% в серии 200 импульсов.
32
Стабильность генерации МИП на ускорителе ETIGO-II
(напряжение 1.1 МВ, ток диода 80 кА, плотность энергии 60-90 J/cm2).
Нестабильность плотности энергии МИП составляла в среднем 24% при
ресурсе диодной системы менее 10 импульсов.
33
H. Ito, H. Miyake, and K. Masugata. Rev. Sci. Instrum. 79, 103502. 2008
ускоряющее напряжение 190 кВ,
ток диода 15 кА,
длительность импульса 100 нс,
плотность ионного тока 54 А/см2
разброс значений плотности ионного тока от импульса к импульсу
не превышал 20%.
34
Hiroaki Ito, Kodai Fujikawa, Hidenori Miyake, and Katsumi Masugata. IEEE
TRANSACTIONS ON PLASMA SCIENCE, VOL. 37, NO. 10, OCTOBER 2009
a
b
Зависимость плотности ионного тока от количества
импульсов:
а) ЦФ располагался 50 мм от анода (МИП);
б) ЦФ располагался на выходе источника плазмы
Разброс значений плотности ионного тока в серии импульсов превышал 60-80%.
Нестабильность генерации ионного пучка авторы связывают с нестабильностью работы
плазменного источника.
35
Amitava Roy et al. PHYSICS OF PLASMAS 16, 033113 2009
Fig. 1. Schematic of the experimental setup.
Изменения первеанса от
импульса к импульсу при t=50
нс и 90 нс
Нестабильность генерации электронного пучка в серии импульсов 24-60% авторы
объясняют разбросом значений эффективной эмиссионной площади катода и
эффективного А-К зазора при радиальном и осевом расширении взрывоэмиссионной
плазмы.
36
Выводы по литературному обзору
1. Стабильность генерации МИП в серии импульсов и ресурс диода
определяются процессами плазмообразования на поверхности анода
2. Отсутствуют данные о стабильности генерации МИП в
взрывоэмиссионным потенциальным электродом и с
самоизоляцией электронов.
диодах с
магнитной
3. Взрывная эмиссия обеспечивает эффективное плазмообразование на всей
рабочей поверхности потенциального электрода. Концентрация плазмы
превышает 1014 см-3, что достаточно для генерации МИП с плотностью тока
более 100 А/см2.
4. В диоде с магнитной самоизоляцией отсутствует внешний источник
магнитного поля, который может вносить вклад в нестабильность генерации
МИП.
Цель представленной работы – исследование стабильности генерации
МИП в диоде с взрывоэмиссионным потенциальным электродом в режиме
магнитной самоизоляции электронов.
37
2. Экспериментальный стенд TEMP-4M
Параметры ускорителя ТЕМП-4M:
ускоряющее напряжение
250 – 300 кВ;
длительность импульса
150 нс;
плотность ионного тока на мишени
25 – 150 А/см2;
частота импульсов
6 имп./мин.
Beam composition: ions of carbon (C+) and protons
38
38
3. Исследование стабильности работы ускорителя ТЕМП-4М на
согласованную нагрузку.
Анализ выполнен по сериям измерений по 50
импульсов в каждой серии. Интервал между
импульсами 10 секунд, интервал между сериями
5-10 минут.
Активная нагрузка
R=4.7 Ом, L=240 нГн
39
Результаты статистической обработки
Изменение амплитуды импульса
напряжения на выходе ДФЛ
Параметр
Серия 1
Серия 2
Серия 3
Среднее и СКО
Напряжение на
выходе ГИНа
318 кВ ± 7%
313 кВ ± 6%
316 кВ ± 5%
316 кВ ± 6.0%
Напряжение на
выходе ДФЛ
284 кВ ± 7%
277 кВ ± 5%
272 кВ ± 6%
278 кВ ± 6.5%
Длительность
первого импульса
445 нс ± 8%
443 нс ± 7%
443 нс ± 6%
444 нс ± 7.3%
40
4. Исследование стабильности генерации МИП в плоском диоде
Схема измерения параметров МИП
1.
2.
3.
4.
Ускоряющее напряжение
Полный ток в диоде
Длительность первого импульса
Плотность ионного тока
41
41
Осциллограммы ускоряющего напряжения
(1), полного тока в диоде (2) и плотности
ионного тока с двухсекционного КЦФ (3).
Расстояние до диода 10 см.
Амплитуда импульса плотности тока МИП
зависит от:
4,0
3,5
Q (mkK/cm2)
1. Состава МИП
2. Энергетического спектра МИП
3. Расстояния от диода до КЦФ
25 января
R=0.87
4,5
3,0
2,5
2,0
1,5
Корреляционная зависимость между
плотностью заряда МИП за импульс и
амплитудой импульса плотности ионного тока.
Выборка 50 импульсов
1,0
0,5
20
40
60
80
100
120
140
J1 (A/cm2)
42
Результаты статистической обработки
Таблица 2. Стабильность работы ускорителя ТЕМП-4М при генерации МИП
Параметры:
среднее СКО за 2 серии
Напряжение
6%
Ток
10%
Длительность первого
импульса
10%
Плотность тока МИП 1
Плотность тока МИП 2
38%
43
В серии экспериментов с плоским полосковым диодом после пропитки его рабочей
поверхности вакуумным маслом удалось уменьшить нестабильность плотности тока
МИП. На Рис. 4 и в таблице 3 приведены результаты обработки результатов измерений.
Таблица 3. Стабильность работы ускорителя ТЕМП-4М при генерации МИП
среднее СКО за 5
серий
Напряжение. кВ
6%
Длительность первого импульса
10%
Плотность тока МИП, А/см2
27 %
44
5. Исследование корреляции плотности тока МИП
Для определения наиболее важных факторов, влияющих на нестабильность
генерации МИП в диоде с магнитной самоизоляцией, был выполнен анализ
корреляции амплитуды импульса плотности ионного тока:
- с амплитудой импульса ускоряющего напряжения,
- с амплитудой полного тока в диоде,
- с длительностью первого импульса
- с амплитудой импульса плотности ионного тока в другой точке диода
45
Корреляционная зависимость между амплитудой импульса плотности ионного тока и
амплитудой импульса ускоряющего напряжения. Выборка 110 импульсов. Кривая 1 –
расчет по соотношению CL для ионов С+ при коэффициенте усиления 10.
4 К 0 2 z
U
J ион 

[d 0  v(t  t0 )]2
9 mi
3/ 2
d0  начальный АК зазор,
ε0 – абсолютная диэлектрическая проницаемость,
v  скорость расширения плазмы,
mi – масса иона,
z – заряд иона,
t0 – длительность первого импульса,
46
К – коэффициент усиления.
Результаты статистической обработки
Таблица 4. Корреляция плотности ионного тока с параметрами генератора
наносекундных импульсов.
Значение и СКО
Коэффициент
детерминации
Коэффициент
Пирсона
262 кВ ± 4.5%
0.3
0.55
Полный ток в
диоде
61 кА ± 10%
0.19
0.44
Длительность
первого импульса
480 нс ± 11%
0.34
0.59
30 A/см2 ± 29%
-
-
Параметр
Напряжение
Плотность тока
МИП
Выполненные исследования показали слабую корреляцию амплитуды импульса
плотности тока МИП с выходными параметрами генератора наносекундных импульсов.
Это указывает на то, что основной вклад в нестабильность генерации МИП вносят
процессы в самом диоде.
47
Корреляция плотности ионного тока, формируемого одновременно
в разных частях ионного диода.
Корреляционная зависимость между амплитудами плотности ионного тока с двух КЦФ
при расстоянии между ними 5 см (а) и 1 см (b).
Расстояние между КЦФ
Объем выборки
Коэффициент
детерминации
Коэффициент
Пирсона
8 см
275 импульсов
0.04
0.18
5 см
100 импульсов
0.12
0.36
1 см
110 импульсов
0.74
0.86
48
6. Исследование стабильности генерации МИП в фокусирующем
диоде
Схема измерения и осциллограммы ускоряющего напряжения (1), полного тока в
плоском диоде (2) и плотности ионного тока с двухсекционного КЦФ (3). Расстояние до
КЦФ 15 см.
49
Результаты статистической обработки
60
50
Count
40
30
20
10
0
20
30
40
50
60
70
Bin Center
Изменение амплитуды импульса плотности ионного тока и гистограмма значений 5×50
импульсов.
Корреляция плотности ионного тока с параметрами генератора наносекундных импульсов
Значение и СКО
Коэффициент
регрессии
Коэффициент
Пирсона
Напряжение
264 кВ ± 3%
0.10 – 0.22
0.33 – 0.47
Полный ток в диоде
53 кА ± 4%
0.13 - 0.18
0.37 - 0.43
Длительность первого
импульса
450 нс ± 7%
0.08 - 0.12
0.30 - 0.36
Плотность тока МИП, КЦФ1
41 А/см2 ± 19 %
-
Плотность тока МИП, КЦФ2
40 А/см2 ± 18 %
-
Параметр
50
7. Анализ источников нестабильности генерации МИП.
K
q расч
qэксп
q расч
4 0 2 z
U 3/ 2


dt
2
9 m [d 0  v(t  t0 )]
Dependence of amplification coefficient on delay in second
pulse formation.
Alexander I. Pushkarev, Yulia I. Isakova and Dmitry V. Vahrushev
Physics of Plasmas 17, 123112 (2010)
51
Заключение
1. Стандартная девиация плотности ионного тока в плоском диоде с
взрывоэмиссионным потенциальным электродом составляет 35-40% при
нестабильности параметров генератора наносекундных импульсов не более 10%.
2. Выполненные исследования показали слабую корреляцию амплитуды импульса
плотности тока МИП с выходными параметрами генератора наносекундных
импульсов.
3. Генерация ионного тока идет несинхронно по сечению пучка. Коэффициент
детерминации для плотности тока МИП в точках, удаленных друг от друга вдоль
поверхности диода на расстояние более 5 см не превышает 0.12.
4. Фокусировка ионного пучка позволяет увеличить стабильность плотности ионного
тока в серии импульсов. Стандартная девиация амплитуды импульса плотности
ионного тока снизилась до 18-20%.
5. Нестабильность плотности ионного тока в серии импульсов обусловлена
случайным изменением плотности диффузионного потока электронов из области
дрейфа.
52