Computer simulation of the sheath and the adjacent plasma in the presence of a plasma source

A model is constructed allowing computer simulations of the near-wall area of a planar plasma sheet in conditions where the steady state of the plasma is supported by the production of charged particles in a region removed from the wall. Calculations have revealed variation in the energy distribution of the electrons in both time and spatially over the sheet width (cooling the electronic component) due to absorption of fast electrons at the walls bounding the plasma volume. It is shown that the plasma density profile across the sheet width has an abrupt decrease at the boundary of the region of plasma regulation. Thus the standard concepts of the potential and plasma density distributions in the sheath and presheath based on the assumption of a stable energy distribution for the electrons in the presheath yields inaccurate results for the plasma sheet where the ionization source is remote from the wall

Paramagnetic states of high-current electron beams in a beam-plasma system

Results of computer simulation of low-energy high-current electron beam generation in a low-impedance system show that high-current beams shape in paramagnetic states. Low-impedance system consists of a diode with a long plasma anode, just siding with an explosive emission cathode and an auxiliary thermionic cathode. The long plasma anode plays simultaneously the role of the transport channel providing charge neutralisation of high-current beam. Usually, a beam in an external magnetic field behaves as a diamagnetic and forces the magnetic field out of its volume. Earlier it was shown that for some systems it is possible to realise conditions under which the magnetic field is increased inside the volume occupied by the beam. It is accompanied by considerable increase of the magnetic field as compared as external field. The behaviour of beam-plasma system is discussed under different conditions. Computer simulation was performed using PIC code KARAT

Self-sustaining secondary emission in magnetron guns, beam modulation and feedbacks

This paper reports on computer simulations of an electron cloud formation inside a smooth-bore magnetron. Preliminary results were published in [1-3]. Computer simulations have been performed using 2.5D and 3D electromagnetic PIC code KARAT [4] for the magnetron diode (MD) with parameters close to experimental [5], and with an external voltage source V0(t) connected to MD via an RL-circuit. The yield of secondary electrons from the cathode takes into account the dependence of the yield on the energy of electrons and the angle between the direction of electron velocity and the perpendicular to the cathode surface, and also the threshold of secondary emission

Ion flows from area of beam plasma discharge at low magnetic field – physics and application

For verification of conclusions of the numerical experiment the measurements of a velocity distribution function of electrons escaping area of discharge to its collector, together with energy distribution of ions which are running out from discharge on a normal from an axis are carried out. The effect of essential heating of electrons of plasma in paraxial area is detected in those regimes, when the acceleration of ions is observed. The effect of accumulation of a field of regular oscillations in the region of injection of a beam as well as their stochastisation in process of propagation along the axis of system are detected. The results of physical experiments qualitatively correlate with the data of computer simulation.Для проверки выводов численного эксперимента были проведены измерения функции распределения по скоростям электронов, выходящих из области разряда на коллектор, совместно с распределением по энергии ионов, которые выходят из разряда по нормали к оси. В режимах, когда наблюдаются ускоренные ионы, детектирован эффект существенного нагрева электронов плазмы. Детектирован эффект аккумуляции поля регулярных осцилляций в области инжекции пучка и их стохастизации в процессе распространения вдоль оси системы. Результаты физических экспериментов качественно коррелируют с данными компьютерного моделирования.Для перевірки висновків чисельного експерименту були проведені вимірювання функції розподілу за швидкостями електронів, що виходять з області розряду на колектор, разом з розподілом за енергіями іонів, які виходять з розряду по нормалі до осі. В режимах, коли спостерігаються прискорені іони, детектовано ефект суттєвого нагріву електронів плазми. Детектовано ефект акумуляції поля регулярних осциляцій в області інжекції пучка та їх стохастизації у процесі поширення вздовж осі системи. Результати фізичних експериментів якісно корелюють з даними комп’ютерного моделювання

Selforganisation and dynamics peculiarities of intense electron beams in compact crossed fields systems

The review of the results of computer simulations of electron flow self-organisation inside magnetically isolated coaxial diodes (magnetron gun) is given. Magnetron guns of usual and inverted polarities are considered

Using of perfectly matched layer (PML) in compucter simulation of the high-power relativistic plasma microwave amlifier

Computer simulation of the relativistic plasma microwave amplifier was made by using code KARAT. A pure amplification regime (without accompanying generation) was achieved in such amplifier in the experiment [1]. The simulation system was made nearly the same experimental setup. The main feature of this model is a microwave absorber.За допомогою коду КАРАТ [4,5] нам удалося чисельно промоделювати підсилювач, використовуючи поглинач у виді модельного середовища з заданими параметрами. Шляхом зміни параметрів поглинаючого середовища і коефіцієнта відображення вихідного дзеркала [3], удалося підібрати оптимальний режим посилення мікрохвильового випромінювання на заданій частоті. У широкому діапазоні зміни зазначених параметрів досягнуте посилення в 30 дБ.С помощью кода КАРАТ [4,5] нам удалось численно промоделировать усилитель, используя поглотитель в виде модельной среды с заданными параметрами. Путем изменения параметров поглощающей среды и коэффициента отражения выходного зеркала [3], удалось подобрать оптимальный режим усиления микроволнового излучения на заданной частоте. В широком диапазоне изменения указанных параметров достигнуто усиление в 30 дБ

Charged plasma interaction with a surface in crossed fields

Problems of non-linear dynamics and non-stationary behaviour of charged plasma interacting with secondary emission surfaces in crossed E×B-fields are discussed from the point of view of the investigation of new approaches for microwave electronic devices. Self-organisation of flows and formation of regular space structures due to the feedback at the emitting surface is shown. The results of computer simulations of electron clouds formation due to non-linear azimuthal instability inside coaxial systems embedded inside in external magnetic field under the condition of strong non-uniform secondary self-sustaining emission are described. The existence of quasi-stationary, rotating state of charged flow has been shown under conditions of conservation of full power and full momentum of the system. It is emphasised the dominant influence of a feedback due to non-uniform secondary emission on dynamics of plasma flow modulation and on arising of a leakage current across external magnetic field.Обговорюються проблеми нелінійної динаміки і нестаціонарного поводження зарядженої плазми, взаємодіючою з повторно-емісійною поверхнею в схрещених полях, з позиції дослідження нових підходів для пристроїв мікрохвильової електроніки. Показано можливість самоорганізації потоків і формування регулярних просторових структур, обумовлена зворотним зв'язком на емітувальній поверхні. Дано опис результатів чисельного моделювання формування електронних структур у коаксіальних системах, що знаходяться в зовнішньому магнітному полі, в умовах неоднорідної самопідтримної вторинної емісії. Показано можливість існування стаціонарно обертових станів в умовах збереження повної потужності і повного моменту системи. Звертається особлива увага на домінуючий вплив зворотного зв'язку і неоднорідності вторинної емісії на динаміку модуляції потоків і виникнення струмів витоку поперек зовнішнього магнітного поля.Обсуждаются проблемы нелинейной динамики и нестационарного поведения заряженной плазмы, взаимодействующей с вторично-эмиссионной поверхностью в скрещенных полях, с позиции исследования новых подходов для устройств микроволновой электроники. Показана возможность самоорганизации потоков и формирования регулярных пространственных структур, обусловленная обратной связью на эмитирующей поверхности. Дано описание результатов численного моделирования формирования электронных структур в коаксиальных системах, находящихся во внешнем магнитном поле, в условиях неоднородной самоподдерживающейся вторичной эмиссии. Показана возможность существования стационарно вращающихся состояний в условиях сохранения полной мощности и полного момента системы. Обращается особое внимание на доминирующее влияние обратной связи и неоднородности вторичной эмиссии на динамику модуляции потоков и возникновение токов утечки поперек внешнего магнитного поля

Low-energy high-current electron beam generation in plasma system and beam-plasma interaction

The review of results of experimental investigations and computer simulations of low-energy high-current electron beam generation in a low-impedance system and dynamics of beam-plasma system are given. The system includes a long plasma-filled diode, an auxiliary thermionic cathode and an explosive emission cathode. The auxiliary cathode is used to generate a low-current, low-voltage electron beam to form long plasma anode by means of a residual gas ionisation in an external longitudinal magnetic field. The high-current low-energy electron beam is generated from the explosive emission cathode embedded in preliminary prepared plasma. Peculiarities of the system are due to: 1) the generation of electron beams with currents exceeding Alfven’s limit; 2) the charge density of the beam close to the plasma density. These peculiarities complicate beam-plasma interaction significantly due to sharp non-uniform distribution of the beam current density, dominant transverse motion of the beam electrons and redistribution of ion-plasma density under the influence of fields. Computer simulation was performed using electromagnetic PIC code KARAT for different geometry’s of the system.Дано огляд результатів експериментальних досліджень і чисельного моделювання генерації низько-енергетичних (з енергією в десятки кілоелектронвольт) потужнострумових (зі струмами в десятки кілоампер) електронних пучків у наповненій плазмою системі з протяжним плазмовим анодом і динаміки всієї системи в цілому. Слабкострумовий низьковольтний пучок від допоміжного катода, що знаходиться у зовнішньому подовжньому магнітному полі, використовується для створення протяжного плазмового анода в залишковому газі. Потужнострумовий електронний пучок формується з вибухоемісійного катода, що стикається зі сформованою плазмою. Особливості системи зв'язані з формуванням потужнострумового пучка з щільністю часток, порівнянної з густиною плазми, і струмом, який перевищує граничний струм Альфвена, що різко ускладнює характер пучково-плазмової взаємодії в процесі транспортування потужнострумового пучка уздовж протяжного плазмового анода за рахунок різко вираженого поперечного руху і неоднорідного розподілу струму пучка.Дан обзор результатов экспериментальных исследований и численного моделирования генерации низкоэнергетических (с энергией в десятки килоэлектронвольт) сильноточных (с токами в десятки килоампер) электронных пучков в плазмонаполненной системе с протяженным плазменным анодом и динамики всей системы в целом. Слаботочный низковольтный пучок от вспомогательного катода, находящегося во внешнем продольном магнитном поле, используется для создания протяженного плазменного анода в остаточном газе. Сильноточный электронный пучок формируется со взрывоэмиссионного катода, соприкасающегося со сформированной плазмой. Особенности системы связаны с формированием сильноточного пучка с плотностью частиц, сравнимой с плотностью плазмы, и током, превышающим предельный ток Альфвена, что резко усложняет характер пучково-плазменного взаимодействия в процессе транспортировки сильноточного пучка вдоль протяженного плазменного анода за счет резко выраженного поперечного движения и неоднородного распределения тока пучка

Dynamics of high-current ion beam in the drift gap of induction accelerator at different variants of charge compensation

In this paper the dynamics of the high-current ion beam (HIB), compensated by the electron beam by current density and partly by charge, in the drift gap (DG) of the linear induction accelerator with the collective focusing is studied. We have considered the HIB space charge compensation by thermal electrons, which are held in the DG by a magnetic field, which has mirror configuration. The dynamics of the beams at different variants of HIB space charge compensation has been studied. Found that in the presence of a programmed injection of additional electrons from the right side, the divergence of the HIB is practically absent, and its current at the exit of the DG differs slightly from the initial.Изучена динамика сильноточного ионного пучка (СИП), компенсируемого электронным пучком по плотности тока и частично по заряду, в дрейфовом промежутке (ДП) линейного индукционного ускорителя с коллективной фокусировкой. Рассмотрена компенсация пространственного заряда СИП тепловыми электронами, которые удерживаются в ДП магнитным полем пробочной конфигурации. Изучена динамика пучков при различных вариантах компенсации пространственного заряда СИП. Установлено, что при наличии программированной инжекции справа дополнительных электронов расходимость СИП практически отсутствует, а его сила тока на выходе из ДП отличается от начальной незначительно.Вивчена динаміка сильнострумового іонного пучка (СІП), що компенсується електронним пучком за густиною струму та частково за зарядом, у дрейфовому проміжку (ДП) лінійного індукційного прискорювача з колективним фокусуванням. Розглянута компенсація просторового заряду СІП тепловими електронами, які утримуються в ДП магнітним полем пробкової конфігурації. Вивчена динаміка пучків при різних варіантах компенсації просторового заряду СІП. Встановлено, що при наявності програмованої інжекції праворуч додаткових електронів розбіжність СІП практично відсутня, а його сила струму на виході з ДП відрізняється від початкової несуттєво

Numerical simulation of high-current ion beam transportation at the presence of compensating electron beams in a LIA section

Transportation of a high-current ion beam (HCIB) with various currents was studied in the presence of accom-panying and additional electron beams' injection in the linear induction accelerator (LIA) section. The investigations were carried out by means three-dimensional numerical simulation within the framework of the complete Vlasov-Maxwell system of equations. The parameters of the system and beams have been optimized in so way, that the ion beam quality remains acceptable for a number of important technological applications at the exit of the LIA section.Вивчено транспортування сильнострумового іонного пучка (СІП) з різними струмами при наявності інжекції супроводжуючого та додаткового електронних пучків у секції лінійного індукційного прискорювача (ЛІП). Дослідження проводилися за допомогою тривимірного чисельного моделювання в рамках повної системи рівнянь Власова-Максвелла. Параметри системи і пучків оптимізовані таким чином, що на виході з секції ЛІП якість іонного пучка залишається прийнятною для низки важливих технологічних застосувань.Изучена транспортировка сильноточного ионного пучка (СИП) с различными токами при наличии инжекции сопровождающего и дополнительного электронных пучков в секции линейного индукционного ускорителя (ЛИУ). Исследования проводились с помощью трехмерного численного моделирования в рамках полной системы уравнений Власова-Максвелла. Параметры системы и пучков оптимизированы таким образом, что на выходе из секции ЛИУ качество ионного пучка остается приемлемым для ряда важных технологических приложений