Measurements of very small plasma concentration by RF resonator with periodic slow wave structure

Necessity of contactless measuring small electron concentrations is actual, for example, in cosmic explorations, beam physics, electronics, etc. We found experimentally that the RF resonator with special periodic slow wave structure can measure n~10⁵-10⁸ cm⁻³. The frequency of the resonator main mode is 628 MHz; Q=4500, phase velocity is 4.4·10⁹ cm/sec. To determine the form-factor for this mode, an electron beam was passed through the resonator along its axis in vacuum of order of 10⁻⁶ Torr. The beam parameters were as following: energy 100 eV, current 1-10 mA, diameter 1 cm, that is corresponds to n~10⁷-10⁸ cm⁻³. Measurement accuracy was about of 10 %. After the calibration, this resonator was used successfully for plasma density measurements that created by proton beam with energy 5 MeV at ionization of gases at pressure of 10⁻⁴-10⁻⁵Torr.Необхідність безконтактних вимірювань малих електронних концентрацій актуально, наприклад, для космічних досліджень, фізики пучків, електроніки і т.д. Для вимірювання малих електронних концентрацій нами запропонований ВЧ резонатор з уповільнюючою структурою, що складається з кільцевих ВЧ електродів, закріплених на зустрічних підвісках. Завдяки такій геометрії істотно збільшується форм-фактор резонатора, тобто коефіцієнт пропорційності між концентрацією і зсувом власної частоти. Проте, у даному випадку форм-фактор не може бути знайдений теоретично. Щоб перебороти цю трудність ми застосували метод калібрування, заснований на тому, що повільний електронний пучок має такі ж ВЧ властивості, як і плазма. Калібрування по електронному пучку була проведена для декількох мод полого резонатора і для основної моди резонатора з періодичною структурою. При цьому вимірювався зсув частоти резонатора в залежності від струму пучка, відкіля визначалися форм-фактори. Точність вимірювань була порядку 10%. Після такого калібрування цей резонатор був з успіхом застосований для вимірювання густини плазми, утворюваної протонним пучком з енергією 5 МеВ при іонізації газів при тиску 10⁻⁴-10⁻⁵ Торр.Необходимость бесконтактных измерений малых электронных концентраций актуально, например, для космических исследований, физики пучков, электроники и т.д. Для измерения малых электронных концентраций нами предложен ВЧ резонатор с замедляющей структурой, состоящий из кольцевых ВЧ электродов, закрепленных на встречных подвесках. Благодаря такой геометрии существенно увеличивается форм-фактор резонатора, т.е. коэффициент пропорциональности между концентрацией и сдвигом собственной частоты. Однако, в данном случае форм-фактор не может быть найден теоретически. Чтобы преодолеть эту трудность мы применили метод калибровки, основанный на том, что медленный электронный пучок имеет такие же ВЧ свойства, как и плазма. Калибровка по электронному пучку была проведена для нескольких мод полого резонатора и для основной моды резонатора с периодической структурой. При этом измерялся сдвиг частоты резонатора в зависимости от тока пучка, откуда определялись форм-факторы. Точность измерений была порядка 10%. После такой калибровки этот резонатор был успешно применен для измерения плотности плазмы, создаваемой протонным пучком с энергией 5 МэВ при ионизации газов при давлении 10⁻⁴-10⁻⁵ Торр

Experimental studies of some features of beam-plasma discharge initial stage

In case of gas pressure increasing, the plasma density rapidly increases at p=(1-2)*10⁻⁴ Torr, due to the beam-plasma discharge start (BPD). For fixed pressure above 2*10⁻⁴ Torr, the BPD start depends from the interaction length L and beam current I, with relation I∝ L⁻¹ . Measurements of the electron velocity distribution were performed using an UHF method and a multi-electrode probe. The start conditions are agreed with theoretical estimations.При збільшенні тиску газу до (1-2)*10⁻⁴ Торр щільність плазми різко підвищуется завдяки пучково-плазмовому розряду (ППР). При фіксованому тиску вище 2*10⁻⁴ Торр початок ППР залежить від довжини взаємодії L та струму пучка I: I∝L⁻¹. Були проведені вимірювання розподілу електронів по швидкостям СВЧ методом та багатосітковим зондом. Умови старту ППР узгоджуються із теоретичними оцінками.При увеличении давления газа до (1-2)*10⁻⁴ Торр плотность плазмы резко возрастает благодаря пучково- плазменному разряду (ППР). При фиксированном давлении выше 2*10⁻⁴ Торр начало ППР зависит от длины взаимодействия L и тока пучка I: I∝ L⁻¹. Проведены измерения распределения электронов по скоростям СВЧ методом и многосеточным зондом. Условия старта ППР согласуются с теоретическими оценками

Experimental investigation of peculiarities of the beam-plasma discharge initial stage

It was shown experimentally that beam-plasma discharge (BPD) in the system of electron beam plus plasma (created by the beam) does not “wait” the condition np>>nb, that connected with the instability increment usually used in that case (np and nb are electron concentrations of plasma and beam). Instead, BPD starts at np≈nb with another increment that was received in this work with help of the corresponding dispersion equation.Результати наведених експериментів показують, що пучково-плазмовий розряд (ППР) в системі електронний пучок плюс плазма, що створюється пучком, не «чекає» виконання умови np>>nb (np и nb–густини плазми й пучка), пов’язаної з інкрементом нестійкості, що зазвичай використовується в даному випадку. Замість цього ППР починається при np≈nb з іншим інкрементом, значення якого отримано в даній роботі.Результаты приведенных экспериментов показывают, что пучково-плазменный разряд (ППР) в системе электронный пучок плюс плазма, создаваемая пучком, не «ждет» выполнения условия np>>nb (np и nb–плотности плазмы и пучка), связанного с инкрементом неустойчивости, обычно используемом в данном случае. Вместо этого ППР начинается при np≈nb с другим инкрементом, значение которого получено в данной работе

Formation of a sequence chains of nanosecond ion bunches for injection in a linear accelerator

Currently there are generators of intense ion beams of nanosecond duration. For the purpose of the injection such ions into a linear accelerator the formation of a sequence ~10² ion bunches of a duration of 20 ns, a current of ~100 mA total current pulse duration of about 1 μs is considered in this work. In this case, bunches of highly charged ions (HCI) of aluminum are generated by field emission by applying a voltage of 400 kV, a duration of 50 ns at a block of aluminum emitters, spaced along the axis of the injector. The injector consists of a sequence co-axial emitters, a grounded accelerating grid and a retarding-and-turning grid. Trough the retarding-and-turning grid a current is passed from the current pulse generator, which creates an azimuthal magnetic field directing HTI along the axis. The analytical calculations that determine the parameters and confirming the possibility of the technical realization of such a device are shown.В настоящее время имеются генераторы интенсивных ионных пучков наносекундной длительности. С целью инжекции таких ионов в линейный ускоритель в данной работе рассмотрено формирование последовательности ~10² ионных сгустков длительностью 20 нс, током ~100 мА в суммарный токовый импульс длительностью ~1 мкс. При этом сгустки высокозарядных ионов алюминия (ВЗИ) генерируются автоэмиссион-ным путем при подаче напряжения 400 кВ, длительностью 50 нс на блок острийных эмиттеров из алюминия, разнесенных в пространстве вдоль оси инжектора. Инжектор состоит из коаксиально расположенных эмиттеров, заземленной ускоряющей сетки и замедляюще-оворотной сетки. Через замедляюще-поворотную сетку пропускается ток от генератора импульсного тока, создающий азимутальное магнитное поле, направляющее ВЗИ вдоль оси. Приведены аналитические расчеты, определяющие параметры и подтверждающие возможность технической реализации подобного устройства.Наразі є генератори інтенсивних іонних пучків наносекундної тривалості. З метою інжекції таких іонів у лінійний прискорювач у цій роботі розглянуто формування послідовності ~10² іонних згустків тривалістю 20 нс, струмом ~100 мА в сумарний струмовий імпульс тривалістю ~1 мкс. Згустки високозарядних іонів алюмінію (ВЗІ) генеруються автоемісійним шляхом при подачі напруги 400 кВ, тривалістю 50 нс на блок вістрійних емітерів з алюмінію, рознесених у просторі уздовж осі інжектора. Інжектор складається з коаксіально розташованих емітерів, заземленої прискорюючої сітки і сповільнюючо-поворотної сітки. Через сповільнюючо-поворотну сітку пропускається струм від генератора імпульсного струму, що створює азимутальне магнітне поле, яке спрямовує ВЗІ уздовж осі. Наведені аналітичні розрахунки, що визначають параметри й підтверджують можливість технічної реалізації подібного пристрою

Measurement of plasma density formed at passing of a sequeence of relativistic electron bunches through the neutral gas

Using an open barrel-shaped resonator (OBR) plasma density, produced by a sequence of duration 2 μs of relativistic electron bunches, each of energy 4.5 MeV and charge 0.16 nC, in air at pressure of 10…60 Torr was measured. The plasma density was determined from the shift of the OBR resonant frequency estimated after measuring the reduction of oscillations amplitude in plasma loaded OBR at the initial frequency of OBR. It was shown that the maximum density of the produced plasma reaches 3·10¹⁰ cm⁻³ at wakefield excitation in a semi-infinite plasma waveguide and 10¹¹ – in plasma resonatorС помощью открытого бочкообразного резонатора (ОБР) измерена плотность плазмы, образуемая последовательностью релятивистских электронных сгустков длительностью 2 мкс, с энергией 4.5 MэВ, зарядом 0.16 нК каждого в воздухе с давлением 10...60 Торр. Плотность плазмы определялась по сдвигу резонансной частоты ОБР, оцененного по измерению уменьшения амплитуды колебаний в нагруженном плазмой ОБР на исходной резонансной частоте ОБР. Показано, что максимальная плотность образуемой плазмы достигает 3·10¹⁰cм⁻³ для возбуждения кильватерного поля в полуоткрытом волноводе и 10¹¹ см⁻³ – в плазменном резонаторе.За допомогою відкритого бочкоподібного резонатора (ВБР) виміряна густина плазми, яка утворюється послідовністю релятивістських електронних згустків тривалістю 2 мкс, з енергією 4.5 МеВ, зарядом 0.16 нК кожного в повітрі з тиском 10...60 Торр. Густина плазми визначалася по зсуву резонансної частоти ВБР, яка оцінювалася по вимірюванню зменшення амплітуди коливань у навантаженому плазмою ВБР на вихідній резонансній частоті ВБР. Показано, що максимальна густина утворюваної плазми досягає 3·10¹⁰ cм⁻³ при збудженні кільватерного поля в напіввідкритому хвилеводі і 10¹¹ см⁻³ – у плазмовому резонаторі

Experimental investigation of the current plasma lens in the non-uniform magnetic field

The ion focusing by the uniform (along the radius and length) current lens was investigated elsewhere. In this work the more complicated, strongly non-uniform (in z-direction) case is considered when parameters of the focusing channel (the current channel radius, current density, focusing azimuthal magnetic field) are changed sufficiently on the focusing distance by the external magnetic field. Theoretically the problem is being solved in details in Ref. [4]. In this work the numerical calculations and experimental investigations are presented