Месяц Г.А. Импульсная энергетика и электроника

Подождите немного. Документ загружается.

180

Глава 10. Вакуумные линии с магнитной самоизоляцией

характеристикой является ток в линии, разомкнутой на конце. С энергетической

точки зрения это состояние должно соответствовать минимуму энергии. Однако

при этом ток ненамного превосходит минимальный ток в линии, обеспечиваю-

щий изоляцию. Ввиду этого, а также из-за более простого выражения для мини-

мального тока, всюду в дальнейшем такие предельные токи в линии будем срав-

нивать с минимальным током.

§ 10.2 Квазистационарный режим

Исследование работы линии, когда ИсЦ « 1, проведено в [9]. Типичные осцил-

лограммы напряжений и токов приведены на рис. 2. Ток линии запаздывал относи-

тельно напряжения на 10-15 не, что необходимо для возникновения эктонов на

отрицательном электроде. Момент возникновения эмиссии соответствовал излому

на кривой напряжения и появлению рентгеновского излучения с боковой стенки

внешней трубы коаксиала. Ток электронов на анод задержан на 5-10 не относи-

тельно тока линии. Дополнительный временной сдвиг возникал из-за необходимо-

сти большего времени для развития эмиссии с торцевого катода, чем с боковой

поверхности внутреннего электрода, ввиду большей плотности тока на катоде. По-

сле завершения процессов установления эмиссии при достаточно малых зазорах

катод-анод ток диода с погрешностью до 10% совпадал с током линии. При увели-

чении зазора катод-анод ток линии падал, а напряжение на линии повышалось,

причем при увеличении зазора /

и II стремятся к своим предельным значениям.

Возникновение предельных значений напряжений и тока легко понять из сле-

дующих соображений. При увеличении зазора Л, а следовательно, и импеданса

ускорительного промежутка напряжение должно возрастать, а ток падать, поскольку

сопротивление линии по отношению к электронным токам утечки, возникающим

между ее электродами, из-за их большой площади много меньше сопротивления

генератора. Поэтому достаточно малого превышения напряжения на линии над пре-

дельным, чтобы появился ток утечки на наружный электрод, ограничивающий даль-

нейшее увеличение напряжения. В результате в линии устанавливается самосогласо-

ванный режим, при котором ток и напряжение достигают предельных значений.

Рассмотрим подробнее природу тока утечки на противоположный электрод ли-

нии. Динамика установления магнитной самоизоляции исследовалась с помощью

цилиндров Фарадея, установленных на внешней трубе коаксиала [10]. Токи утечки

на внешний электрод появились на фронте импульса тока линии, когда /

*тш«

Ток

утечки прекращался или падал на порядок, когда ток в линии превышал на 10-20%

т1п

. В эксперименте наблюдалась утечка на спаде тока при малых напряжениях

(рис. 2). Для объяснения этого эффекта рассмотрим распределение тока утечки

вблизи торца в предельном режиме. После того как катод приобретает эмиссион-

ную способность, необходимую для пропускания /

ш, ток, как показывают оценки,

выполненные с помощью закона Чайлда-Ленгмюра, замыкается в конце линии на

длине порядка межэлектродного зазора. При уменьшении напряжения ширина об-

ласти утечки в конце линии увеличивается. Для у > 2 ширина области утечки А

порядка межэлектродного зазора А ~ (г

- п), а для (у - 1) «с 1 область утечек

А « 9л^/8(у - 1)»

может значительно превышать его и быть сравнимой с длиной

линии [7, 11].

§10.2 Квазистационарный режим 181

450

< 19

Рис. 10.2. Осциллограммы напряжения

И,

токов

на входе

и выходе /

линии и тока

утечки

(штриховая кривая)

Длительность первого импульса тока утечки определяется процессами фор-

мирования взрывной эмиссии и индуктивностью линии. Токи утечки в начале

импульса имеют наибольшее значение, а затем падают быстрее, чем разность

токо.в линии и анода. Это свидетельствует о смещении токов утечки к нагрузке

с ростом тока и магнитного поля в линии. В качестве нагрузки обычно приме-

няется электронный диод со взрывной эмиссией электронов. Такой вывод под-

тверждается и прямыми измерениями распределения плотности электронных

утечек вдоль линии, выполненными для предельного режима [10, 12]. Динами-

ку распределения токов утечки в конце линии дополнительно измеряли рентге-

новскими датчиками путем сканирования излучения с разрешением 4 мм вдоль

боковой поверхности внешнего электрода. В начале импульса тока характерная

длина, на которой концентрировался электронный поток, в конце линии со-

ставляла 2-3 см, что равнялось четырем-шести межэлектродным зазорам. По-

сле того как на внутренней поверхности наружного электрода появилась плаз-

ма, на отрицательном электроде линии регистрировались ионные токи. На ста-

дии роста ионного тока плотность тока электронов увеличивалась, что было

отмечено по уменьшению вдвое области электронных утечек при мало изме-

няющемся полном токе.

В общем случае электронный слой заполняет не весь межэлектродный проме-

жуток. При этом часть тока /

- /

переносится электронами в коаксиальном зазоре.

Ток /

, протекающий по катоду, дается соотношением [11]:

При малых напряжениях ((у -1)1) для предельного режима работы линии:

(10.6)

(10.7)

182

Глава 10. Вакуумные линии с магнитной самоизоляцией

В случае больших напряжений

-^~Г

1/3

. (Ю.8)

^гат

Таким образом, при больших у основная часть тока переносится электронами,

движущимися в межэлектродном зазоре.

После установления магнитной изоляции электроны заполняют весь межэлект-

родный промежуток. Численные расчеты, выполненные для линии с г

/г

= 2,7/1,1 см при напряжении 410 кВ для предельного режима работы, подтвержда-

ют вывод о том, что движение частиц вдали от торца линии происходит в виде

электронного слоя, прижатого к внутреннему электроду (рис. 3). Однако высота

этого слоя превышает высоту, полученную из гидродинамического приближения.

Так, по гидродинамической теории, для указанных значений тока и напряжения

высота слоя равна 0,7 см (штриховая линия), а по численному расчету - 1,0 см.

Такое превышение расчетной высоты электронного слоя может быть связано с на-

чальным разбросом частиц по скоростям. Электронный ток утечки зависел от зазо-

ра при

(^о ~ зазор, который соответствует максимальной мощности, выде-

ляемой в нагрузке) амплитуды импульсов утечки на переднем и заднем фронтах

тока возрастали, и более отчетливо проявлялось плато между импульсами. Это

можно объяснить тем, что при

д,

> как отмечено выше, II

стремятся к пре-

дельным значениям, зависящим от волнового сопротивления линии.

Эффективность транспортировки энергии по цилиндрической линии в устано-

вившемся режиме для квазистационарного случая при /

> /

щ близка 100%. Дос-

тигнутая плотность потока энергии в линиях длиной до

м на установке «М1ТЕ» и

модуле установки «Ангара-5» превышает 10

Вт/см

при напряженности электри-

ческого поля Е <2 МВ/см

. Эффект магнитной изоляции позволяет получить высо-

кие напряженности электрического поля в зазоре. Максимальная напряженность

электрического поля в межэлектродном зазоре коаксиальной линии с учетом объ-

емного электродного слоя определяется выражением:

& =-зо^д ,

У*

где ток /

ш измерен в килоамперах. В реальных экспериментах напряженность

электрического поля в цилиндрических линиях длиной около 1 м превышает

5 МВ/см [10, 13] . Особенности работы конических линий с магнитной изоляцией

описаны в [7].

Рис. 10.3. Траектория движения электронов в установившемся режиме изоляции (Ц- 410 кВ,

2 см)

§10.3 Волновой режим 183

§ 10.3 Волновой режим

В коаксиальных длинных линиях существен процесс установления режима

магнитной самоизоляции после приложения к коаксиалу импульса напряжения II.

При этом в течение времени

/ф

Не

в коаксиальной линии распространяется фронт

напряжения и тока. В [14] на основе нелинейных телеграфных уравнений в пред-

положении установления за фронтом магнитной изоляции получено простое вы-

ражение для скорости волны:

Скорость

электромагнитной волны, распространяющейся при этом в коаксиа-

ле, оказывается меньше скорости света с из-за инерции движущихся в электромаг-

нитных полях электронов, появляющихся в коаксиальном зазоре в результате

взрывной эмиссии. Это сопровождается потерями энергии в области фронта, свя-

занными с возможностью замыкания тока на фронте волны как током смещения,

так и в результате утечки электронов.

Впервые волновой режим магнитной самоизоляции исследовался в экспери-

ментах на установке «МС» с коаксиалами длиной 4,5 м при амплитуде импульса

500 кВ [15]. В дальнейшем появились работы [16-19], в которых наряду с коакси-

альными линиями использовались и плоские (двойные или трехполосные) линии.

В конце к магнито-изолированным вакуумным линиям (МИВЛ) подключались ди-

од или омическая нагрузка. Применение последней устраняло нелинейность вольт-

амперной характеристики нагрузки, что облегчало интерпретацию результатов.

Кроме того, конструктивно это было удобнее, так как позволяло обеспечить высо-

кую коаксиальность электродов. В случае применения полосковых линий задача

выставления одинакового зазора вдоль линии решается значительно проще путем

введения различных поддерживающих элементов, которые могут быть совмещены

с диагностическими датчиками. Длина линий в этих исследованиях достигала

11 м, параметр сХф/1 < I. К электродам линии подавались импульсы как положи-

тельной, так и отрицательной полярности амплитудой до 3 МВ, при этом напря-

женность электрического поля превосходила 2 МВ/см. Линии снабжались обыч-

ным набором диагностических датчиков, дополнительно для измерения токов и

напряжений в различных сечениях вдоль оси линии устанавливались магнитные

петли (или пояса Роговского) и омические делители напряжения соответственно.

Основные особенности волнового режима магнитной самоизоляции выявлены

на ускорителе «МС» при изучении коаксиальных линий длиной / = 3,5 и 4,5 м [15,

10]. Параметр щП составлял 2,6-3,4. Для простоты монтажа линии с такой длиной

устанавливались вертикально на выходе ускорителя. Радиус внешнего электрода

коаксиальной линии равен 2,6 см, внутреннего электрода - 1,0 см. В конце линия

нагружалась на диод, ускорительный зазор которого изменялся от 0 до 1 см. На

вход линии подавался импульс отрицательной полярности амплитудой до 500 кВ

и длительностью на полувысоте 40 не. В целях уменьшения времени задержки

взрывной эмиссии в ряде экспериментов на входе в линию устанавливалась ди-

электрическая вставка длиной 4 см, в других экспериментах начальный участок

(10.9)

184

Глава 10. Вакуумные линии с магнитной самоизоляцией

I [не]

Рис. 10.4. Осциллограммы напряжения IIи

токов на входе /

и выходе

линии

при / = 4,5

м,

/г\

2,6/2,0 (см),

а также токов

утечки (штриховые кривые), измеренных

на расстоянии

0,4

и 3,9

от

начала

линии

внутреннего электрода длиной 20 см покрывался слоем аквадага. Время развития

взрывной эмиссии определялось по временному сдвигу между токами на входе

линии и током утечки на боковую поверхность внешнего электрода, измеренным

цилиндром Фарадея в начале линии. Ток утечки, появляющийся в результате ин-

тенсивной эмиссии на цилиндре Фарадея (рис. 4), возникал спустя 10 не после

прихода импульса с учетом распространения волны.

При распространении вдоль линии изменяется форма импульса тока. Фронт вол-

ны становится круче. Этот эффект впервые был предсказан в [20] при изучении

ударных электромагнитных волн в линии и назван магнетронным эффектом. В конце

линии ток, измеренный торцевым цилиндром Фарадея, имеет характерный предым-

пульс, предшествующий основному фронту. Отметим, что сигналы с рентгеновских

детекторов, регистрирующих излучение с анода, практически повторяют форму тока

на цилиндре Фарадея, установленном в конце линии. Из измерений тока и интенсив-

ности рентгеновского излучения на выходе линии с поверхности внешнего электрода

следует, что существует вакуумный предвестник малой амплитуды, за которым сле-

дует фронт волны. Скорость распространения предвестника равна скорости света.

Интервал между началом взрывной эмиссии, определяемой по изломам на осцилло-

граммах напряжения на входе линии, и подножием основного импульса тока на ци-

линдр Фарадея, установленный в конце ее, определяет скорость распространения

волны магнитной самоизоляции. Скорость распространения фронта основного им-

пульса на базе / = 4,5 м существенно ниже скорости света и для средней амплитуды

импульса напряжения на входе 460 кВ составляет 0,45±0,05с. Такие же значения по-

лучены по задержке сигналов рентгеновских детекторов, регистрировавших излуче-

ние с боковой поверхности линии, и появлению максимальных токов утечки на ци-

линдрах Фарадея, расположенных вдоль линии. С увеличением амплитуды импульса

напряжения скорость фронта волны растет.

§10.3 Волновой режим 185

В экспериментах [17] («РЦЬ8ЕКАБ-1500»: 3 МВ, 2

= 50 Ом, = 50 не)

скорость волны магнитной самоизоляции, определенная по осциллограммам токов,

измеренных в различных местах коаксиальной линии с г

/г\ = 11,43/5,72 см и дли-

ной Юм при напряжении 1,8 МВ, составляла 0,70±0,06 от скорости света.

За фронтом волны, как следует из экспериментов, устанавливается минималь-

ный ток, соответствующий конфигурации прижатого к внутреннему электроду ли-

нии электронного слоя. На рис. 5 представлены результаты экспериментов [12, 21,

34], выполненных в ИАЭ на полосковых и коаксиальных линиях, нагруженных на

диод или резистивную нагрузку, с различной полярностью внутреннего электрода

при длине до 10,7 м и напряжении 3 МВ. Также приведены теоретические зависи-

мости токов I =

2е11тс

(для цилиндрического =

(1п г

1г\)~

и плоского

(2псИЪУ

случаев, где

- зазор и ширина линии), полученные в одночас-

тичном

= (у

-1)

1/2

и в гидродинамическом приближении, соответствующем ми-

нимальному току ^ и парапотенциальному ^ =

у 1п [у

+ (у

-1)

1/2

]. Измеренные

скорости распространения фронта волны находятся в хорошем согласии с форму-

лой, полученной в предположении установления минимального тока за фронтом

волны и электрического слоя, прижатого к отрицательному электроду [11]:

уу*

-1

Из осциллограмм токов утечки входного и выходного токов линии следует, что

после возникновения взрывной эмиссии фронт волны в линии становится более

крутым. В экспериментах на установке «МС» длительность фронта выходного то-

ка уменьшилась в три раза по сравнению с входным и составляла 7-10 не. При

малых амплитудах, как следует из формулы (9), скорость передних участков на

фронте волны с магнитной самоизоляцией мала, и их будут догонять участки

фронта волны с большим напряжением. Этот процесс приводит к увеличению кру-

тизны профиля волны на фронте и формированию ударных волн.

Рис. 10.5. Зависимость предельных

токов /

от напряжения у

= 1 + еШтс

а - одночастичное

приближение, / = (у

- 1)

1/2

; б - кривая, соответствующая минимальному току /

; в - кри-

вая, соответствующая парапотенциальному току /

= у

1п

[у + (у

- 1)

1/2

]; 1 - данные [12], 2 -

[21], 3 - [22]

186 Глава

10. Вакуумные линии с магнитной самоизоляцией

Ширина фронта волны, вычисленная по измеренной скорости и длительности

основного импульса утечки, составляет 1-1,5 м, что в три-четыре раза меньше

длины линии [10]. В пользу достоверности этой оценки ширины фронта свиде-

тельствует то, что измеренная амплитуда плотности токов утечки 3-4 А/см

со-

гласуется с расчетным значением, определяемым из тока утечки на основном

фронте и поверхности отрезка внешнего электрода, равного длине фронта: =

= /

ут

/2яп;Гф. В [17] на базе Юм длительность фронта при распространении вол-

ны по линии уменьшалась до значения, меньшего 4 не. Это соответствовало дли-

тельности фронта 0,6 м, что существенно меньше длины линии. Скорость нарас-

тания тока на фронте достигала 10

-10

А/с. Перед фронтом волны с магнитной

самоизоляцией до начала взрывной эмиссии по линии распространяется вакуум-

ный предвестник - обычная электромагнитная волна.

Структура фронта волны существенно зависит от эмиссионной способности

материала катода. Ширина фронта волны, например, при покрытии внутреннего

электрода аквадагом, становится уже, а вакуумный предвестник впереди основной

волны исчезает. В предельном случае «мгновенной» взрывной эмиссии ширина

фронта волны составляет порядка межэлектродного зазора передающей линии. В

реальном случае конечного времени взрывной эмиссии структура фронта волны

оказывается более сложной (рис. 4), причем ширина фронта превосходит межэлек-

тродный зазор. При нарастании потенциала на фронте волны наступает момент,

когда становится существенна эмиссия электронов с катода. Вслед за этим насту-

пает провал амплитуды тока и напряжения, причем утечки на фронте волны сосре-

доточены в области провала. С ростом напряжения за областью провала наблюда-

ется увеличение тока, сопровождающееся прекращением токов утечки.

Нелинейная волна магнитной самоизоляции может отражаться от конца линии.

Такое отражение существенно отличается от обычного вакуумного случая. В [18]

исследовалось отражение волны магнитной самоизоляции для цилиндрических

линий с соотношением диаметров электродов 1/0,2; 1,8/0,2 и 1/0,1 (см), длиной 2 м

и волновыми сопротивлениями соответственно 96, 132 и 138 Ом при положитель-

ной и отрицательной полярностях падающего импульса амплитудой до 500 кВ.

В экспериментах линия в конце нагружалась на омическую нагрузку на основе

водного раствора Си80

, которую можно было изменять от нескольких единиц до

сотен Ом. Наличие омической нагрузки с известным сопротивлением облегчало

интерпретацию результатов. При подаче на линию с волновым сопротивлением

= 138 Ом импульса напряжения в течение времени 35-40 не, равного времени

двойного прохождения волны по линии, входной ток не зависел от сопротивления

нагрузки. При

> 40 не картина менялась. В случае, когда ^

40 Ом -

«горячий» импеданс линии), из-за того что отраженная волна отсутствовала, вход-

ной ток не зависел от нагрузки, а входной импеданс был близок к сопротивлению

«горячей» линии 2

. Это связано с тем, что сопротивление нагрузки в конце линии

не может быть больше Ш

. При сопротивлениях К

> Ш

ь режим магнитной

самоизоляции обеспечивается за счет протекания части тока на положительный

электрод в конце линии вблизи нагрузки, что приводит к уменьшению полного

значения до Ш

т1п

. Поэтому изменения входных вольт-амперных характеристик

не происходит. При К

< 2

входные вольт-амперные характеристики линии из-за

появления отраженной волны зависят от с уменьшением нагрузки входной ток

§10.3 Волновой режим 187

растет, напряжение падает. Аналогичные характеристики получены и при других

значениях импеданса линий и напряжений.

Эффективность передачи энергии по линии определяется нагрузкой в конце

линии. Максимальная эффективность достигается в согласованном режиме при

сопротивлении нагрузки, равном «горячему» импедансу линии

При отклонении

импеданса линии в любую сторону эффективность падает. При уменьшении 2

относительно согласованного значения линия с магнитной самоизоляцией ведет

себя аналогично обычной вакуумной длинной линии: ток /

растет, а

вых

- умень-

шается. При увеличении К

относительно согласованного значения напряжение на

выходе линии не изменяется и близко к напряжению в согласованном режиме, а /

падает. Такое поведение тока в нагрузке и выходного напряжения означает, что при

> 2д согласование достигается благодаря протеканию тока вблизи нагрузки,

шунтирующего ее сопротивление.

Дополнительные потери возникают на фронте нелинейной волны самоизоля-

ции при ее распространении по линии из-за замыкания части тока электронными

утечками. Значение эффективности

г|

транспортировки определяется из формулы:

где / - длина линии; - длительность импульса; у

- скорость распространения

энергии в установившемся режиме. Экспериментально определенная эффектив-

ность транспортировки пучка ц на установке «МС» при напряжении на линии

0,5 МВ составляла 50%, а теоретически рассчитанная - 70%. Высокая эффектив-

ность транспортировки (90%) по плоским линиям с магнитной самоизоляцией

длиной 7 м получена на установке «М1ТЕ» в [18].

В [18] предложен способ повышения эффективности передачи энергии в лини-

ях с магнитной самоизоляцией благодаря подавлению электронных токов утечки

на фронте волны в результате наложения дополнительного магнитного поля. При

достаточной его напряженности электронный слой прижимается к катоду и линия

по своим параметрам близка к вакуумной. При этом возможен режим передачи

(10.11)

1,0

0,8

0,6 - о

0° •

0,4

2 4 6 8 10

/ [кА]

Рис. 10.6. Зависимость скорости фронта волны от тока подмагничивания / для напря-

жений V на линии 220 (светлые кружки) и 612 кВ (темные). Сплошная и штриховая линии -

расчетные зависимости для этих напряжений соответственно

188 Глава

10. Вакуумные линии

магнитной самоизоляцией

энергии практически без потерь. В этих экспериментах линия с соотношением

диаметров 18/2 мм (волновое сопротивление 2

=138 Ом) подмагничивалась током,

пропускаемым по внутреннему электроду. При увеличении тока подмагничивания

скорость волны стремится к скорости света (рис. 6), форма импульса тока близка к

вакуумной, поскольку исчезает предвестник. «Горячий» импеданс линии увеличи-

вается с ростом тока подмагничивания, что свидетельствует об уменьшении тол-

щины электронного слоя. При фиксированном значении импеданса нагрузки суще-

ствует ток подмагничивания, при котором достигается наибольшая эффективность

транспортировки энергии. В этом случае при малом токе подмагничивания эффек-

тивность низка, а с его увеличением эффективность растет и достигает максималь-

ного значения при «горячем» импедансе линии, равном сопротивлению нагрузки.

§ 10.4 Плазма и ионы в линии

Среди возможных процессов, способных ограничить потоки и передачу энер-

гии в нагрузку, следует отметить появление плазмы на поверхности электрода.

Плазма возникает на электродах линии во время действия высоковольтного им-

пульса; на катоде - в результате взрьюной эмиссии электронов с катода и бомбар-

дировки катода положительными ионами, эмитированными из анодной плазмы; на

аноде - при взаимодействии электронов, ускоряемых в межэлектродном зазоре, с

поверхностью электрода. На обоих электродах плазма может образоваться благо-

даря интенсивной подсветке их поверхности низкоэнергетическим рентгеновским

излучением, что наиболее вероятно в области перехода от линии к нагрузке (диоду,

2-пинчу). Движущаяся плазма может привести к перемыканию зазора линии и тем

самым к нарушению магнитной изоляции; кроме того, из-за уменьшения эффек-

тивного зазора могут появляться электронные и ионные токи утечки.

Свойства и динамика катодной плазмы экспериментально исследовались при

напряженности электрического поля в линии до 2 МВ/см [21-23]. В ходе исследо-

ваний установлено, что приэлектродная плазма формируется на катоде в течение

нескольких наносекунд с неоднородной концентрацией, которая на расстоянии

менее 1 мм составляет 10

-10

см

-3

, и температурой, равной нескольким элек-

трон-вольтам, и расширяется со скоростью (1-2)-10

см/с диффузионным образом,

поскольку давление магнитного поля на поверхности плазмы превышает газо-

кинетическое. Из спектроскопических измерений состава плазмы следует, что ос-

новной вклад в свечение плазмы дают линии водорода. Приведенная скорость

плазмы соответствует тепловой скорости водорода с температурой

=2 эВ.

Модель, учитывающая влияние расширяющейся катодной плазмы на передачу

мощности в магнито-изолированной вакуумной линии, развита в [24]. Плазма воз-

никала при напряженности электрического поля 0,3 МВ/см. Расчеты проводили

для линии длиной 2 м с радиусом алюминиевого катода 6,2 см и межэлектродным

зазором 0,5 см, нагруженной на индуктивную нагрузку 18 нГн при приложенном

импульсе напряжения 0,5 МВ длительностью 150 не. При начальных параметрах

плазмы в этих расчетах: температуре 5 эВ, плотности на единицу площади

8,7-10~

г/см

и толщине слоя

мкм до момента

= 60 не (или до 50 не после нача-

ла взрывной эмиссии) движение плазмы практически не тормозится магнитным

полем, после момента / = 60 не происходит уменьшение скорости фронта (при

§10.4

Плазма

ионы в линии

189

/ = 120 не скорость составляла 410

см/с). Средняя скорость фронта плазмы до

120 нс равнялась 2,4-10

см/с. Из результатов расчета следует, что значительная

часть тока (до 50% полного тока линии) переносится в плазменном слое, расшире-

ние катодной плазмы приводит к эффективному изменению зазора линии и

увеличению тока в ней на 10-20% по сравнению со случаем отсутствия плазмы.

Динамика пространственного распределения потерь на аноде изучалась с по-

мощью трехкадровой электронно-оптической системы. Конвертором тормозного

излучения служил тонкий пластмассовый сцинтиллятор, прижатый к аноду. Ти-

пичная структура свечения представляла собой совокупность светящихся пятен

размером около 1 мм. Пятна появлялись и исчезали за время межкадрового интер-

вала

не). Сопоставление наблюдаемых на эопограммах динамики пятен и уровня

плотности тока электронных утечек на аноде позволяет оценить значение тока в

отдельных локальных образованиях (около

кА).

Слой плазмы на аноде служит эмиттером ионов, которые для реально сущест-

вующих ускорителей незамагничены и свободно ускоряются электрическим полем в

вакуумном зазоре. Ионный ток утечки обусловлен распределением в зазоре объем-

ного заряда как ионов, так и электронов, и зависит от положения и размеров элек-

тронного слоя. В свою очередь равновесное положение слоя должно изменяться при

возникновении ионных утечек из-за перераспределения электрического поля. Для

практического использования МИВЛ важно определить минимальный ток, начиная с

которого существует равновесный слой электронов в присутствии ионного потока, а

также зависимость ионных токов утечки от напряжения и ширины зазора.

Присутствие ионов в межэлектродном зазоре приводит к увеличению мини-

мального тока магнитной самоизоляции электронов. Качественно это можно пояс-

нить, пользуясь аналогией с обычным диодом. В плоском вакуумном диоде в от-

сутствие эмиссии электрическое поле в зазоре постоянно. При появлении эмиссии

заряда с электрода электрическое поле на нем уменьшается до нуля. В межэлек-

тродном промежутке оно становится неоднородным и увеличивается на другом

электроде на 1/3 по сравнению с вакуумным случаем. Аналогичный эффект возни-

кает при эмиссии ионов в линии с магнитной самоизоляцией электронов. Для

у » 1, когда толщина электронного слоя мала, минимальный ток превышает на 1/3

асимптотическое выражение для /

в линии без ионов. Для практических прило-

жений важен вопрос о превышении тока ионных утечек над значениями, получае-

мыми из закона Чайлда-Ленгмюра. В экспериментах получен максимальный ко-

эффициент превышения, равный 6, что главным образом объясняется расширени-

ем приэлектродных слоев плазмы со скоростью около 10

см/с.

В отличие от линии с положительными ионами отрицательные ионы приводят

к увеличению электрического поля в межэлектродном зазоре. Поэтому для осуще-

ствления магнитной изоляции требуется большее магнитное поле. Более того, уве-

личение концентрации таких ионов может привести к тому, что баланс давлений в

электронном слое не удается сохранить, что приводит к нарушению магнитной

изоляции [25]. В работах [26, 27], выполненных на ускорителях «М1ТЕ» и

«НУБКОМ1ТЕ» (2 МВ, 400 кА, 35 не), в линии длиной 6 м с магнитной самоизо-

ляцией с помощью цилиндров Фарадея, установленных на диоде, а также пролет-

ного спектрометра обнаружены токи утечки отрицательно заряженных ионов (Н",

Н2, С", О", 0

). Хотя плотность тока в экспериментах достигала высоких