Исследование зависимостей эксплуатационных характеристик источника ионов Пеннинга от его геометрических параметров


Просмотр статьи
PDF, 1008,7 КБ

Investigation of the dependency of penning ion source operational characteristics on its geometric parameters

Experimental setup and methodology of complex study of discharge processes in ion sources are described. The main aim of this work is the optimization of the penning ion source working-characteristics. The results of the physical characteristics dependency investigation on geometrical parameters (the ratio of anode length to its diameter, the length of the gap between cathode/anode and anticathode/anode) are presented. The use of ring and mesh anodes allows to visualize the region of the discharge and its structure depending on pressure, discharge voltage and geometry. It was shown that peaks of extraction current depending on the anode size can be observed (or cannot for some conditions) at different position of the anode relative to cathodes. The conditions of «parasitic» discharges ignition at the outer edge of the cathode (that significantly increase power consumption and decreases energy efficiency) were found. Strict compliance of the maximum discharge intensity with the region of the maximum magnetic field and the dependence of extraction current on it was confirmed.

Penning discharge, ion source

Николай Николаевич Щитов, Илья Александрович Каньшин, Никита Вадимович Мамедов

Том 16, выпуск 4, 2015 год



Приведено описание экспериментального стенда и методики комплексного изучения разрядных процессов в источниках ионов типа Пеннинга с целью оптимизации их эксплуатационных характеристик. Представлены результаты исследований зависимостей некоторых характеристик от их геометрических параметров: отношения длины анода к его диаметру; длины зазоров между катодом/анодом и антикатодом/анодом. Использование кольцевых и сеточных анодов позволило визуализировать области горения разряда и их структуру в зависимости от давления, напряжения и геометрии ячейки. Показано, что в зависимости от размеров анода могут как наблюдаться, так и нет максимумы вытягиваемого тока при различном положении анода относительно катодов. Установлены условия зажигания «паразитных разрядов» по внешней кромке катодов, существенно увеличивающих потребляемую мощность и уменьшающих энергетическую эффективность. Подтверждено строгое соответствие максимума интенсивности горения разряда области максимальной напряженности магнитного поля и зависимость вытягиваемого тока от неё.

Разряд Пеннинга, ионный источник

Николай Николаевич Щитов, Илья Александрович Каньшин, Никита Вадимович Мамедов

Том 16, выпуск 4, 2015 год



1. F.M. Penning, J.H.A. Moubis, Physica (Amsterdam) 4, 1190 (1937)
2. Bernhard Ludewight, Qing Ji, ArunPersaud, Amy Sy, and Thomas Schenkel (LNBL) Neu-tron Source R&D – from Compact Generators to Neutron Beams // Proceedings of FNDA 2011, November 9, 2011
3. Баберцян Р.П., Егиазарян Г.А., Тер-Геворкян Э.И. Диаграммы неустойчивости пеннинговского разряда с холодными катодами при низких давлениях // ЖТФ, 1994, т. 64, вып. 10, с. 202-207.
4. Баберцян Р.П., Бадалян Э.С. и др. Оптимизация некоторых параметров пеннинговского ионного источника методом подвижного катода // ЖТФ, 1996, т.66, вып.6, с.77-83.
5. Баберцян Р.П., Бадалян Э.С. и др. О распределении тока положительных ионов по поверхности катода в разряде с осциллирующими электронами // ЖТФ, 2000, т. 70, вып. 4, с. 24-28.
6. Егиазарян Г.А., Хачатрян Ж.Б. и др. О распределении электронных потоков по поверхности катода в разряде с осциллирующими электронами // ЖТФ, 2006, т. 76, вып.2, с.62 - 68.
7. Баберцян Р.П., Бадалян Э.С. и др. Механизм влияния геометрического параметра на электрические характеристики пеннинговского ионного источника // ЖТФ, 1998, т. 68, вып. 9, с. 29-32.
8. Das B.K., Shyam A. Development of compact size penning ion source for compact neutron generator // Rev. of Sci. Instrum 79, 123305, 2008
9. Das B.K., Shyam A., Das R., Rao A.D.P. Development of hollow anode penning ion source for laboratory application // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 669, 2012, р. 19-21.
10. A. Sy, Q. Ji, A. Persaud, O. Waldmann, and T. Schenkel // Novel methods for improvement of a Penning ion source for neutron generator applicationsa // Rev. of Sci. Instrum 83, 02B309 (2012)
11. Joshua L. Rovey, Brandon P. Ruzic, and Thomas J. Houlahan Simple Penning ion source for laboratory research and development applications // Rev. of Sci. Instrum. 78, 106101, 2007, p. 1-3