Исследование баланса энергии в ионном ускорителе ТЕМП - 4М

Актуальность
Радиационно-пучковое модифицирование мощными ионными пучками позволяет получать в поверхностных слоях материалов составы и структуры, недоступные ни одному из традиционных металлургических способов.
Для повышения эффективности генерации мощного ионного пучка необходимо увеличить эффективность передачи энергии в самой установке. С этой целью были проведены исследования баланса энергии и расчет передачи энергии в узлах ускорителя ТЕМП-4М при работе ускорителя в одно- и двух-импульсном режимах.

Экспериментальный стенд ТЕМП-4М
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

Схема ускорителя: 1, 4 – газовые разрядники; 2, 5 – делители напряжения; 3 – ДФЛ; 6 – пояс Роговского;
7 – магнитоизолированный диод; 8 – акуумная камера; 9 – мишенный узел; 10 – вакуумная система; 11- генератор импульсных напряжений (ГИН); 12 – система газоподачи и водоподготовки

Функциональная схема ускорителя: 1 – генератор импульсного напряжения; 2 – двойная формирующая линия, 3 - диодная камера, 4 – нагрузка.
Калибровка диагностического оборудования
на согласованную нагрузку

Калибровка диагностического оборудования
на согласованную нагрузку
Осциллограммы сигналов с поясов Роговского на выходе ДФЛ и с шунта.

Калибровка диагностического оборудования
на согласованную нагрузку
Экспериментальные значения напряжения и тока на выходе ДФЛ и расчетные значения напряжения. Одноимпульсный и двухимпульсный режим
Напряжение, прикладываемое к диоду рассчитывали по формуле:

Баланс энергии при генерации МИП
Эффективность работы ДФЛ (без зарядной индуктивности) 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%).

Заключение
1. Выполненные исследования баланса энергии в генераторе импульсных ионных пучков гигаватной мощности ТЕМП-4М показали, что работа без зарядной индуктивности позволяет увеличить эффективность передачи энергии в нагрузку в 1.5 раза.
2. Потери энергии в разрядниках и в ДФЛ за счет проводимости диэлектрика достигают 25%.
3. Потери энергии в зарядной индуктивности составляют 10%.
4. Низкая эффективность генерации МИП в основном определяется диодом.

Спасибо за внимание.

Калибровка диагностического оборудования
на согласованную нагрузку
Осциллограммы напряжения и тока на выходе ГИНа и расчетные значения напряжения. Одноимпульсный и двухимпульсный режим.
Зарядное напряжение ДФЛ рассчитывали по формуле: