Моделирование ионизационных и эмиссионных процессов в высоковольтной электронно-ионной системе с холодным катодом и импульсным генератором ионов

Розроблено математичну модель високовольтної електронно-іонної системи низького тиску з холодним катодом та імпульсним плазмовим генератором іонів, розміщеним за анодом. Модель основана на системі кінетичних рівнянь, які описують часову динаміку іонізаційних процесів за участю електронів, іонів та нейтралів після перезарядження іонів у плоскому міжелектродному проміжку і емісійних процесів на електродах, включаючи відбиття швидких атомів від катода і електронів від анода. Числові розрахунки дали змогу виявити і дослідити режими несамостійного і самостійного розрядів, ініційованих імпульсною інжекцією іонів з боку анода при тисках газу відповідно нижче і вище деякого критичного значення. Для підтримки несамостійного розряду необхідний постійно працюючий генератор іонів. Генератор іонів можна відключати після ініціювання самостійного розряду, але тривалість перехідного процесу встановлення цього розряду можна скоротити збільшенням щільності струму іонів інжекції і тривалості імпульсу інжекції. Визначено розподіли за швидкостями і енергіями потоків високоенергетичних частинок, що йдуть на електроди, і динаміку зміни величини цих потоків у часі в різних перерізах міжелектродного проміжку. Отримані дані використовуються при розробленні імпульсних електронних та іонних джерел і пристроїв термоіонного осадження матеріалів, зокрема для виробництва електромагнітних метаматеріалів.This paper develops the mathematical model of high-voltage low-pressure electron-ion system with a cold cathode and a pulse plasma ion generator disposed behind an anode. The model is based on kinetic equations describing time dynamics of ionization processes in the plane electrode gap with participation of electrons, ions and neutral species after ion charge exchange, as well as electrode emission processes, including reflection of atoms from cathode and electrons from anode. Numerical calculations allowed revealing and studying regimes of non-self-maintained and self-maintained discharges initiated by pulse injection of ions from the anode at gas pressures, accordingly, below and above some critical value. Continuously operating ion generator is needed to maintain the non-self-maintained discharge. The ion generator may be switched off after initiating the self-maintained discharge but duration of transient process of establishing this discharge can be shorted by increase of injected ion current density and injection pulse duration. Velocity and energy distributions of flows of high-energy particles going to the electrodes and time dynamics of variation of these flows are determined in different sections of the electrode gap. The obtained data is used for developing pulse electron and ion sources as well as of devices for thermo-ion deposition of materials in particular for manufacturing electromagnetic metamaterials.Разработана математическая модель высоковольтной электронно-ионной системы низкого давления с холодным катодом и импульсным плазменным генератором ионов, расположенным за анодом. Модель основана на системе кинетических уравнений, описывающих временную динамику ионизационных процессов с участием электронов, ионов и нейтралов после перезарядки ионов в плоском межэлектродном промежутке и эмиссионных процессов на электродах, включая отражение быстрых атомов от катода и электронов от анода. Численные расчеты позволили выявить и исследовать режимы несамостоятельного и самостоятельного разрядов, инициируемых импульсной инжекцией ионов со стороны анода при давлениях газа соответственно ниже и выше некоторого критического значения. Для поддержания несамостоятельного разряда необходим постоянно работающий генератор ионов. Генератор ионов можно отключать после инициирования самостоятельного разряда, но длительность переходного процесса установления этого разряда можно сократить увеличением плотности тока инжектируемых ионов и длительности импульса инжекции. Определены распределения по скоростям и энергиям потоков высокоэнергетичных частиц, идущих на электроды, и динамика изменения величины этих потоков во времени в различных сечениях межэлектродного промежутка. Полученные данные используются при разработке импульсных электронных и ионных источников и устройств термоионного осаждения материалов, в частности для изготовления электромагнитных метаматериалов

Results of investigation of muon fluxes of superhigh energy cosmic rays with X-ray emulsion chambers

The overall data from the investigation of the cosmic ray muon flux in the range of zenith angles (0-90) deg within the energy range (3.5 to 5.0) TeV is presented. The exposure of large X-ray emulsion chambers underground was 1200 tons. year. The data were processe using the method which was applied in the experiment Pamir and differred from the earlier applied one. The obtained value of a slope power index of the differential energy spectrum of the global muon flux is =3.7 that corresponds to the slope of the pion generation differential spectrum, gamma sub PI = 2.75 + or - .04. The analysis of the muon zenith-angular distribution showed that the contribution of rapid generation muons in the total muon flux agree the best with the value .2% and less with .7% at a 90% reliability level

High-voltage tacitron with cold-cathode and maximal current auto-limitation

Особливості роботи високовольтного газорозрядного комутуючого прилада тасітронного типу з двома решітками управління і холодним катодом в магнітному полі. Пристрій може перемикати електричний струм при високій напрузі в тиратронному режимі (як замикаючий перемикач), в режимі тасітрону (як перемикач який замикає/відмикає), або в якості тасітрону з автоматичним обмеженням максимального значення анодного струму ( в якості короткого замикання в ланцюзі навантаження). Такі режими роботи пристрою реалізуються через невеликі зазори між мікроперфорованих керуючих сіток і анода з використанням конкретних режимів роботи імпульсних решіток управління.The features of operation of a high-voltage gas-discharge switch device of tacitron type with two control grids and cold cathode in magnetic field are considered. The device is able to switch electric current at high voltages in the thyratron mode (as a closing switch), in the tacitron mode (as a closing/opening switch), or as a tacitron with automatic limitation of maximal value of the anode current (in the case of shorted load circuit). Such modes of device operation are realized due to small gaps between the microperforated control grids and the anode and employing specific pulse operation modes of the control grids.Особенности работы высоковольтного газоразрядного коммутирующего прибора таситроного типа с двумя управляющими сетками и холодным катодом в магнитном поле. Устройство может переключать электрический ток при высоких напряжениях в тиратронном режиме (как замыкающий ключевой прибор), в режиме таситрона (как замыкающий/выключающий прибор), или в качестве таситрона с автоматическим ограничением максимального значения анодного тока (в случае короткого замыкания в цепи нагрузки). Такие режимы работы устройства реализуются благодаря небольшим зазорам между микроперфорированными управляющими сетками и анода с использованием специальных режимов работы управляющих сеток

Investigation of electron cut-off in a cylindrical electrode system in pulsed magnetic field of an inductor

The effect of electron cut-off from the anode in a cylindrical coaxial electrode system with an inhomogeneity of electric and magnetic fields along the axis is investigated by numerical simulation. The effect is caused by the pulsed magnetic field of the external inductor and the secondary magnetic fields generated by the eddy currents in the electrodes. The inhomogeneity of the fields is due to short length of the cathode and the inductor, and also by the internal protrusion at the anode opposite the cathode for the concentration of the magnetic field. The electrons escape along the axis from the interelectrode gap. To capture them, end cup-shaped collectors are introduced, for which the voltage of up to 300 V is applied when the anode voltage is of 10 kV. The results of the work can be used in designing a high-voltage current interrupter, for analyzing the conditions of magnetic initiation of a magnetron discharge, and the characteristics of magnetron electron guns.Досліджується методом чисельного моделювання ефект відсічення електронів від анода в системі циліндричних коаксіальних електродів з неоднорідністю електричного і магнітного полів уздовж осі. Ефект викликається імпульсним магнітним полем зовнішнього індуктора і вторинними магнітними полями, що генеруються вихровими струмами в електродах. Неоднорідність полів обумовлена малою довжиною катода і індуктора, а також внутрішнім виступом на аноді в області катода для підвищення концентрації магнітного поля. Має місце вихід електронів з міжелектродного проміжку уздовж осі. Для їх уловлювання вводяться торцеві чашоподібні колектори, на які подається напруга до 300 В при анодній напрузі 10 кВ. Результати роботи можуть бути використані при проектуванні високовольтного переривника струму, для аналізу умов магнітного ініціювання магнетронного розряду і характеристик магнетронних електронних гармат.Исследуется методом численного моделирования эффект отсечки электронов от анода в цилиндрической коаксиальной системе электродов с неоднородностью электрического и магнитного полей вдоль оси. Эффект вызывается импульсным магнитным полем внешнего индуктора и вторичными магнитными полями, генерируемыми вихревыми токами в электродах. Неоднородность полей обусловлена малой длиной катода и индуктора, а также внутренним выступом на аноде напротив катода для концентрации магнитного поля. Имеет место уход электронов вдоль оси из межэлектродного промежутка. Для их улавливания вводятся торцевые чашеобразные коллекторы, на которые подаётся напряжение до 300 В при анодном напряжении 10 кВ. Результаты работы могут быть использованы при проектировании высоковольтного прерывателя тока, для анализа условий магнитного инициирования магнетронного разряда и характеристик магнетронных электронных пушек