Программа для численного моделирования системы извлечения ионного пучка в плазменном источнике ионов
Представлены физическая модель и алгоритм компьютерной программы, используемые для численного моделирования системы извлечения и первичного формирования ионного пучка в плазменном ионном источнике. Для сравнения результатов численного моделирования и экспериментальных измерений границы плазмы промод...
Saved in:
| Published in: | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Date: | 2008 |
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2008
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/110705 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Программа для численного моделирования системы извлечения ионного пучка в плазменном источнике ионов / С.А. Пустовойтов, В.А. Батурин, С.А. Ерёмин, А.Ю. Карпенко// Вопросы атомной науки и техники. — 2008. — № 4. — С. 280-282. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860061056344260608 |
|---|---|
| author | Пустовойтов, С.А. Батурин, В.А. Ерёмин, С.А. Карпенко, А.Ю. |
| author_facet | Пустовойтов, С.А. Батурин, В.А. Ерёмин, С.А. Карпенко, А.Ю. |
| citation_txt | Программа для численного моделирования системы извлечения ионного пучка в плазменном источнике ионов / С.А. Пустовойтов, В.А. Батурин, С.А. Ерёмин, А.Ю. Карпенко// Вопросы атомной науки и техники. — 2008. — № 4. — С. 280-282. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Вопросы атомной науки и техники |
| description | Представлены физическая модель и алгоритм компьютерной программы, используемые для численного моделирования системы извлечения и первичного формирования ионного пучка в плазменном ионном источнике. Для сравнения результатов численного моделирования и экспериментальных измерений границы плазмы промоделирована система извлечения импульсного ионного источника с осцилляцией электронов в магнитном поле. Показано хорошее соответствие между расчётными и экспериментальными результатами.
Представлено фізичну модель і алгоритм комп'ютерної програми, використовувані для чисельного моделювання системи витяги і первинного формування іонного пучка в плазменому іонному джерелі. Для порівняння результатів чисельного моделювання і експериментальних вимірів границі плазми промодельовано систему витягу імпульсного іонного джерела з осциляцією електронів у магнітному полі. Показано гарну відповідність між розрахунковими і експериментальними результатами.
The physical model and the algorithm of the computer program used for numerical modelling of extraction and primary formation system of an ion beam in a plasma ion source are submitted. For comparison of results of numerical modelling and experimental measurements of plasma border a system of extraction of a pulse ion source with electron oscillations in a magnetic field was simulated. Good conformity between calculated and experimental results is shown.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:04:43Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 538.0: 539.124
ПРОГРАММА ДЛЯ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ
ИЗВЛЕЧЕНИЯ ИОННОГО ПУЧКА В ПЛАЗМЕННОМ ИСТОЧНИКЕ
ИОНОВ
С.А. Пустовойтов, В.А. Батурин, С.А. Ерёмин, А.Ю. Карпенко
Институт прикладной физики НАН Украины, Сумы, Украина
E-mail: baturin@ipflab.sumy.ua
Представлены физическая модель и алгоритм компьютерной программы, используемые для численного
моделирования системы извлечения и первичного формирования ионного пучка в плазменном ионном
источнике. Для сравнения результатов численного моделирования и экспериментальных измерений границы
плазмы промоделирована система извлечения импульсного ионного источника с осцилляцией электронов в
магнитном поле. Показано хорошее соответствие между расчётными и экспериментальными результатами.
Конструирование мощных источников
заряженных частиц является актуальной физико-
технической задачей. Одним из наиболее
перспективных методов получения ионного пучка
можно считать вытягивание его ускоряющим
электрическим полем из холодной плазмы. При
расчете системы извлечения ионного пучка в
плазменном источнике ионов использовалась
следующая физическая модель:
1. Граница плазмы, которая считается резкой,
служит эмиттером ионов.
2. Ускоряющее электрическое поле создаётся
системой электродов и искажается собственным
полем пространственного заряда пучка, которое для
мощных пучков может быть достаточно сильным.
3. Для вычисления объёмного заряда,
создаваемого ионным пучком, используется
дискретная модель потока частиц в виде траекторий –
трубок тока [3].
Суммарное электрическое поле, в свою очередь,
определяет форму эмиттера и, как следствие, форму
пучка. Для их нахождения необходимо решить
самосогласованную задачу. Ограничиваясь рамками
стационарного режима, можно допустить, что на
эмиттере приближенно выполняется условие
равенства нулю нормальной составляющей
электрического поля. Это условие может реально
выполняться лишь при учёте влияния
пространственного заряда [1].
С учётом вышесказанного, для нахождения
потенциала и траекторий ионов требуется решить
систему уравнений:
1. Уравнение Пуассона:
.02
2
2
2
2
2
=−
∂
∂
+
∂
∂
+
∂
∂
ε
ρ
z
U
y
U
x
U
2. Уравнение Лоренца:
).(
→→→
→
×+= BVEq
dt
pd
3. Закон сохранения заряда:
0=
→
jdiv .
Эти уравнения образуют замкнутую систему. В
большинстве случаев такая система уравнений не
может быть решена аналитически, и поэтому
используются итерационные методы.
Для решения этой задачи (аксиально-симметрич-
ный случай) была написана компьютерная программа
в среде Delphi. Исходными данными являются:
размеры, форма и потенциалы электродов (задаются
в каком-либо графическом редакторе),
первоначальное положение и потенциал плазмы,
средняя температура и масса ионов, распределение
плотности тока по радиусу, величина полного
извлекаемого тока. Структурная схема программы
для моделирования извлечения пучка ионов из
плазмы показана на Рис.1.
Рис.1. Структурная схема программы для
моделирования извлечения пучка ионов из плазмы
Для решения уравнений Лапласа и Пуассона
используется метод конечных разностей [2].
Расчётная область покрывается квадратной сеткой, в
каждом узле которой находится значение
потенциала. Количество узлов сетки 156000.
Для определения положения границы плазмы в
области формирования ионного пучка итерацион-
________________________________________________________________
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2008. № 4.
Серия: Плазменная электроника и новые методы ускорения (6), с.280-282.
280
ный процесс идёт до тех пор, пока электрическое
поле Е на границе плазмы не будет меньше
заданного значения Emin.
Результатом работы программы является
графическое изображение формы и положения
границы плазмы, формы извлекаемого пучка и
эквипотенциальных линий с заданным потенциалом,
график плотности тока в пучке от радиуса, диаграм-
ма и значение среднеквадратичного эмиттанса.
Для сравнения результатов численного
моделирования и экспериментальных измерений
границы плазмы была промоделирована система
извлечения ионного источника, описанная в [4]. В
этой работе исследовалась проникающая плазма,
генерируемая импульсным ионным источником с
осцилляцией электронов в магнитном поле. Разряд
происходил в среде водорода. Плазма из ионного
источника через выходное отверстие диаметром 3
мм могла проникать в область иммерсионной линзы,
состоящей из двух цилиндров. Положение и форма
границы плазмы измерялись при помощи двух
подвижных цилиндрических зондов. К сожалению, в
работе нет данных о массовом составе, полном токе
извлекаемых ионов и профиле плотности тока,
которые необходимы для численного моделирова-
ния. В связи с этим, при моделировании предполага-
лось, что из плазмы извлекаются исключительно
протоны, полный ток задавался в интервале
50…100 мА, а зависимость плотности тока от
радиуса системы находилась методом подбора.
281
Рис.2. Зависимость плотности извлекаемого тока
от радиуса системы
Рис.3. Зависимость расстояния z между выходным
отверстием источника и границей плазмы на оси
системы от полного тока пучка при различных
извлекающих напряжениях
График зависимости плотности извлекаемого
тока от радиуса, при которой результаты моделиро-
вания границы плазмы наиболее точно совпали с
результатами измерений, показан на Рис.2.
На Рис.3 представлены результаты
моделирования расстояния z между выходным
отверстием источника и границей плазмы на оси
системы от полного извлекаемого ионного тока при
различных значениях извлекающего напряжения.
Совпадение данных измерения и результатов
компьютерного моделирования расстояния z при
различных значениях Uизвл. наблюдалось при
значениях полного извлекаемого ионного тока I,
представленных в таблице.
Uизвл., кВ 12 24 36
Z, мм 56 43 38
I, мА 56 70 82
а - Uизвл.=12кВ, I= 56 мА
б - Uизвл.=24кВ, I= 70 мА
в - Uизвл.=36 кВ, I= 82 мА
Рис.4. Смоделированная и экспериментально
измеренная топография границы плазмы для
282
значений, приведенных в таблице: 1 - экспандер;
2 - извлекающий электрод; 3 - смоделированная
область плазмы; 4 - измеренная граница плазмы
Так как параметры плазмы в области выходного
отверстия не зависят от значения Uизвл. [4], рост
полного тока I можно объяснить тем, что при
смещении границы плазмы к эмиссионному
отверстию растет ее плотность, что и приводит к
увеличению вытягиваемого ионного тока.
На Рис.4 приведена смоделированная и
экспериментально измеренная топография границы
плазмы для значений, приведенных в таблице.
Видно хорошее соответствие между расчётными и
экспериментальными результатами. Таким образом,
данная методика может эффективно использоваться
при расчётах, связанных с разработкой мощных
ионных источников, и оптимизации систем
извлечения и формирования пучка.
ЛИТЕРАТУРА
1. Н.И. Бортничук, Г.П. Прудковский, В.А. Хотин,
А.В. Хотина. Моделирование электронно-
оптических систем с плазменным эмиттером //
ЖТФ. 1977, т.47, в.9, с.1894-1903.
2. С.И. Молоковский, А.Д. Сушков. Интенсивные
электронные и ионные пучки / 2-е изд., перераб.
и доп. М.: «Энергоатомиздат», 1991, с.304.
3. В.Я. Иванов. Методы автоматизированного
проектирования приборов электроники.
Часть II. Методы математического
моделирования задач электронной оптики.
Новосибирск, 1986, с.184.
4. М.Д. Габович, Л.Л. Пасечник, Л.И. Романюк.
Граница проникающей плазмы и плазменная
фокусировка // ЖТФ. 1961, т.31, в.1, с.87-93.
Статья поступила в редакцию 08.05.2008 г.
THE PROGRAM FOR NUMERICAL MODELLING OF THE ION BEAM EXTRACTION SYSTEM
IN THE PLASMA ION SOURCE
S.A. Pustovoytov, V.A. Baturin, S.A. Yeryomin, A.J. Karpenko
The physical model and the algorithm of the computer program used for numerical modelling of extraction and
primary formation system of an ion beam in a plasma ion source are submitted. For comparison of results of nu-
merical modelling and experimental measurements of plasma border a system of extraction of a pulse ion source
with electron oscillations in a magnetic field was simulated. Good conformity between calculated and experimental
results is shown.
ПРОГРАМА ДЛЯ ЧИСЕЛЬНОГО МОДЕЛЮВАННЯ СИСТЕМИ ВИТЯГУ ІОННОГО ПУЧКА
В ПЛАЗМЕНОМУ ДЖЕРЕЛІ ІОНІВ
С.О. Пустовойтов, В.А. Батурін, С.О. Єрьомін, А.Ю. Карпенко
Представлено фізичну модель і алгоритм комп'ютерної програми, використовувані для чисельного
моделювання системи витяги і первинного формування іонного пучка в плазменому іонному джерелі. Для
порівняння результатів чисельного моделювання і експериментальних вимірів границі плазми
промодельовано систему витягу імпульсного іонного джерела з осциляцією електронів у магнітному полі.
Показано гарну відповідність між розрахунковими і експериментальними результатами.
ЛИТЕРАТУРА
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-110705 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1562-6016 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:04:43Z |
| publishDate | 2008 |
| publisher | Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Пустовойтов, С.А. Батурин, В.А. Ерёмин, С.А. Карпенко, А.Ю. 2017-01-06T08:29:01Z 2017-01-06T08:29:01Z 2008 Программа для численного моделирования системы извлечения ионного пучка в плазменном источнике ионов / С.А. Пустовойтов, В.А. Батурин, С.А. Ерёмин, А.Ю. Карпенко// Вопросы атомной науки и техники. — 2008. — № 4. — С. 280-282. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/110705 538.0: 539.124 Представлены физическая модель и алгоритм компьютерной программы, используемые для численного моделирования системы извлечения и первичного формирования ионного пучка в плазменном ионном источнике. Для сравнения результатов численного моделирования и экспериментальных измерений границы плазмы промоделирована система извлечения импульсного ионного источника с осцилляцией электронов в магнитном поле. Показано хорошее соответствие между расчётными и экспериментальными результатами. Представлено фізичну модель і алгоритм комп'ютерної програми, використовувані для чисельного моделювання системи витяги і первинного формування іонного пучка в плазменому іонному джерелі. Для порівняння результатів чисельного моделювання і експериментальних вимірів границі плазми промодельовано систему витягу імпульсного іонного джерела з осциляцією електронів у магнітному полі. Показано гарну відповідність між розрахунковими і експериментальними результатами. The physical model and the algorithm of the computer program used for numerical modelling of extraction and primary formation system of an ion beam in a plasma ion source are submitted. For comparison of results of numerical modelling and experimental measurements of plasma border a system of extraction of a pulse ion source with electron oscillations in a magnetic field was simulated. Good conformity between calculated and experimental results is shown. ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Приложения и технологии Программа для численного моделирования системы извлечения ионного пучка в плазменном источнике ионов Програма для чисельного моделювання системи витягу іонного пучка в плазменому джерелі іонів The program for numerical modelling of the ion beam extraction system in the plasma ion source Article published earlier |
| spellingShingle | Программа для численного моделирования системы извлечения ионного пучка в плазменном источнике ионов Пустовойтов, С.А. Батурин, В.А. Ерёмин, С.А. Карпенко, А.Ю. Приложения и технологии |
| title | Программа для численного моделирования системы извлечения ионного пучка в плазменном источнике ионов |
| title_alt | Програма для чисельного моделювання системи витягу іонного пучка в плазменому джерелі іонів The program for numerical modelling of the ion beam extraction system in the plasma ion source |
| title_full | Программа для численного моделирования системы извлечения ионного пучка в плазменном источнике ионов |
| title_fullStr | Программа для численного моделирования системы извлечения ионного пучка в плазменном источнике ионов |
| title_full_unstemmed | Программа для численного моделирования системы извлечения ионного пучка в плазменном источнике ионов |
| title_short | Программа для численного моделирования системы извлечения ионного пучка в плазменном источнике ионов |
| title_sort | программа для численного моделирования системы извлечения ионного пучка в плазменном источнике ионов |
| topic | Приложения и технологии |
| topic_facet | Приложения и технологии |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/110705 |
| work_keys_str_mv | AT pustovoitovsa programmadlâčislennogomodelirovaniâsistemyizvlečeniâionnogopučkavplazmennomistočnikeionov AT baturinva programmadlâčislennogomodelirovaniâsistemyizvlečeniâionnogopučkavplazmennomistočnikeionov AT ereminsa programmadlâčislennogomodelirovaniâsistemyizvlečeniâionnogopučkavplazmennomistočnikeionov AT karpenkoaû programmadlâčislennogomodelirovaniâsistemyizvlečeniâionnogopučkavplazmennomistočnikeionov AT pustovoitovsa programadlâčiselʹnogomodelûvannâsistemivitâguíonnogopučkavplazmenomudžerelííonív AT baturinva programadlâčiselʹnogomodelûvannâsistemivitâguíonnogopučkavplazmenomudžerelííonív AT ereminsa programadlâčiselʹnogomodelûvannâsistemivitâguíonnogopučkavplazmenomudžerelííonív AT karpenkoaû programadlâčiselʹnogomodelûvannâsistemivitâguíonnogopučkavplazmenomudžerelííonív AT pustovoitovsa theprogramfornumericalmodellingoftheionbeamextractionsystemintheplasmaionsource AT baturinva theprogramfornumericalmodellingoftheionbeamextractionsystemintheplasmaionsource AT ereminsa theprogramfornumericalmodellingoftheionbeamextractionsystemintheplasmaionsource AT karpenkoaû theprogramfornumericalmodellingoftheionbeamextractionsystemintheplasmaionsource |