Explosive emission processes in thermonuclear facilities with magnetic plasma confinement and in linear electron–positron colliders

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

A model of the phenomenon of explosive electron emission based on its similarity to the electrical explosion of conductors is presented. With this model, the microexplosive processes occurring on a cathode surface due to the action of the explosive emission current have been simulated. The simulation results have been used to analyze explosive emission processes caused by the operation of unipolar arcs in thermonuclear reactors with magnetic plasma confinement and by the initiation of radiofrequency vacuum breakdowns in the accelerating structures of linear electron–positron colliders. The structure of the arc discharge cathode spot and the erosion characteristics have been investigated for nanostructured tungsten (W-fuzz) surfaces formed in thermonuclear reactors with magnetic plasma confinement. For radiofrequency vacuum breakdowns, the initiating parameters have been estimated, and prebreakdown and microexplosive processes have been simulated.

About the authors

Sergei Aleksandrovich Barengol'ts

Prokhorov General Physics Institute of the Russian Academy of Sciences; P. N. Lebedev Physical Institute of the Russian Academy of Sciences; Institute of Electrophysics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

Email: sb@nsc.gpi.ru
Doctor of physico-mathematical sciences

Gennadii Andreevich Mesyats

P. N. Lebedev Physical Institute of the Russian Academy of Sciences

Email: mesyacga@lebedev.ru
Doctor of technical sciences

References

  1. Mesyats G. A., J. Nucl. Mater., 128–129 (1984), 618
  2. Mesyats G. A., High Power Microwave Generation and Applications: Proc. of the Course and Workshop (Varenna, Italy, 9-17 September, 1991), D. Akulina, E. Sindoni, C. Wharton, Publ. for the Società Italiana di Fisica by Editrice Compositori, Bologna, Italy, 1992, 345
  3. Месяц Г. А., Исследования по генерированию наносекундных импульсов большой мощности, Дисс. … докт. техн. наук, Томский политехн. ин-т, Томск, 1966
  4. Бугаев С. П. и др., УФН, 115 (1975), 101
  5. Литвинов Е. А., Месяц Г. А., Проскуровский Д. И., УФН, 139 (1983), 265
  6. Mesyats G. A., Proskurovsky D. I., Pulsed Electrical Discharge in Vacuum, Springer, Berlin, 1989
  7. Mesyats G. A., Pulsed Power, Springer Science and Business Media, Berlin, 2007
  8. Месяц Г. А., Эктоны в вакуумном разряде: пробой, искра, дуга, Наука, М., 2000
  9. Карцев Г. К. и др., ДАН СССР, 192 (1970), 309
  10. Mitterauer J. et al., Proc. VII Intern. Symp. on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum, USSR, Novosibirsk, 1976, 83
  11. Fursey G. N., IEEE Trans. Electr. Insul., 4 (1985), 659
  12. Anderson G. W., Neilson F. W., Exploding Wires, W. G. Chace, H. K. Moore, Plenum Press, New York, 1962
  13. Oreshkin V. I., Baksht R. B., IEEE Trans. Plasma Sci., 48 (2020), 1214
  14. Mesyats G. A., IEEE Trans. Plasma Sci., 23 (1995), 879
  15. Месяц Г. А., УФН, 165 (1995), 601
  16. Mesyats G. A., IEEE Trans. Plasma Sci., 41 (2013), 676
  17. Shmelev D. L., Barengolts S. A., IEEE Trans. Plasma Sci., 41 (2013), 1959
  18. Barengolts S. A., Shmelev D. L., Uimanov I. V., IEEE Trans. Plasma Sci., 43 (2015), 2236
  19. Barengolts S. A. et al., J. Appl. Phys., 129 (2021), 133301
  20. Кесаев И. Г., Катодные процессы электрической дуги, Наука, М., 1968
  21. Баренгольц С. А., Месяц Г. А., Шмелев Д. Л., ЖЭТФ, 120 (2001), 1227
  22. Месяц Г. А., Баренгольц С. А., УФН, 172 (2002), 1113
  23. Oreshkin V. I. et al., Phys. Plasmas, 11 (2004), 4771
  24. Oreshkin V. I. et al., Phys. Plasmas, 23 (2016), 122107
  25. Сливков И. Н., Электроизоляция и разряд в вакууме, Атомиздат, М., 1972
  26. Barengolts S. A. et al., Phys. Rev. Accel. Beams, 21 (2018), 061004
  27. Barengolts S. A. et al., IEEE Trans. Plasma Sci., 47 (2019), 3406
  28. Ткаченко С. И. и др., Теплофизика высоких температур, 39 (2001), 728
  29. Khishchenko K. V. et al., Int. J. Thermophys., 23 (2002), 1359
  30. Лоскутов В. В., Лучинский А. В., Месяц Г. А., ДАН СССР, 271 (1983), 1120
  31. Бушман А. В. и др., ДАН СССР, 312 (1990), 1368
  32. Shmelev D. L., Litvinov E. A., IEEE Trans. Plasma Sci., 25 (1997), 533
  33. Shmelev D. L., Litvinov E. A., IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul., 6 (1999), 441
  34. Oreshkin E. V. et al., 7th Intern. Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects, EFRE 2020 (September 14-26, 2020, Tomsk, Russia), Publ. House of IAO SB RAS, Tomsk, 2020, 408
  35. Орешкин В. И., Баренгольц С. А., Чайковский С. А., ЖТФ, 77:5 (2007), 108
  36. Robson A. E., Thonemann P. C., Proc. Phys. Soc., 73 (1959), 508
  37. Зыкова Н. М., Недоспасов А. В., Петров В. Г., Теплофизика высоких, 21 (1983), 778
  38. Tien J. K. et al., J. Nucl. Mater., 76–77 (1978), 481
  39. Schwirzke F., Taylor R. J., J. Nucl. Mater., 93–94 (1980), 780
  40. Höthker K. et al., J. Nucl. Mater., 93–94 (1980), 785
  41. Stampa A., Kruger H., J. Phys. D, 16 (1983), 2135
  42. Schwirzke F. R., IEEE Trans. Plasma Sci., 19 (1991), 690
  43. Loarte A. et al., Nucl. Fusion, 47 (2007), S203
  44. Federici G. et al., Nucl. Fusion, 41 (2001), 1967
  45. Roth J. et al., Plasma Phys. Control. Fusion, 50 (2008), 103001
  46. Rohde V. et al., J. Nucl. Mater., 415 (2011), S46
  47. Rohde V. et al., J. Nucl. Mater., 438 (2013), S800
  48. Rohde V., Balden M., the ASDEX Upgrade Team, Nucl. Mater. Energy, 9 (2016), 36
  49. Tokitani M. et al., Nucl. Fusion, 51 (2011), 102001
  50. Rudakov D. L. et al., J. Nucl. Mater., 438 (2013), S805
  51. Rudakov D. L. et al., Phys. Scr., 2016 (2016), 014055
  52. Bykov I. et al., Phys. Scr., 2017 (2017), 014034
  53. Kajita S. et al., Nucl. Fusion, 53 (2013), 053013
  54. Savrukhin P. V., Shestakov E. A., Phys. Plasmas, 26 (2019), 092505
  55. Dhard C. P. et al., Phys. Scr., 2020:T171 (2020), 014033
  56. Баренгольц С. А., Месяц Г. А., Цвентух М. М., ЖЭТФ, 134 (2008), 1213
  57. Federici G., Loarte A., Strohmayer G., Plasma Phys. Control. Fusion, 45 (2003), 1523
  58. Doyle E. J. et al., Nucl. Fusion, 47 (2007), S18
  59. Takamura S. et al., Plasma Fusion Res., 1 (2006), 051
  60. Baldwin M. J., Doerner R. P., Nucl. Fusion, 48 (2008), 035001
  61. Kajita S. et al., Nucl. Fusion, 49 (2009), 095005
  62. Pitts R. A. et al., J. Nucl. Mater., 438 (2013), S48
  63. De Temmerman G., Hirai T., Pitts R. A., Plasma Phys. Control. Fusion, 60 (2018), 044018
  64. Kajita S., Takamura S., Ohno N., Nucl. Fusion, 49 (2009), 032002
  65. Kajita S. et al., Phys. Lett. A, 373 (2009), 4273
  66. Kajita S. et al., Plasma Phys. Control. Fusion, 54 (2012), 035009
  67. Hwangbo D. et al., IEEE Trans. Plasma Sci., 47 (2019), 3617
  68. Hwangbo D. et al., Contrib. Plasma Phys., 58 (2018), 608
  69. Hwangbo D. et al., Nucl. Mater. Energy, 12 (2017), 386
  70. Hwangbo D. et al., Results Phys., 4 (2014), 33
  71. Kajita S. et al., J. Appl. Phys., 116 (2014), 233302
  72. Barengolts S. A. et al., IEEE Trans. Plasma Sci., 46 (2018), 4044
  73. Aussems D. U. B. et al., J. Appl. Phys., 116 (2014), 063301
  74. Hwangbo D. et al., Jpn. J. Appl. Phys., 52 (2013), 11NC02
  75. Hwangbo D. et al., Plasma Sources Sci. Technol., 29 (2020), 125015
  76. Barengolts S. A. et al., Nucl. Fusion, 60 (2020), 044001
  77. Hwangbo D. et al., IEEE Trans. Plasma Sci., 45 (2017), 2080
  78. Barengolts S. A., Mesyats G. A., Tsventoukh M. M., IEEE Trans. Plasma Sci., 39 (2011), 1900
  79. Nishijima D. et al., J. Nucl. Mater., 415 (2011), S96
  80. Kajita S. et al., Results Phys., 6 (2016), 877
  81. Barengolts S. A., Mesyats G. A., Tsventoukh M. M., Nucl. Fusion, 50 (2010), 125004
  82. Зиновьев В. Е., Теплофизические свойства металлов при высоких температурах, Справочник, Металлургия, М., 1989
  83. Kimblin C. W., J. Appl. Phys., 44 (1973), 3074
  84. Anders A. et al., IEEE Trans. Plasma Sci., 33 (2005), 1532
  85. Зельдович Я. Б., Райзер Ю. П., Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений, Наука, М., 1966
  86. Anders A., Phys. Rev. E, 55 (1997), 969
  87. Anders A. et al., Plasma Sources Sci. Technol., 12 (1992), 63
  88. Онуфриев С. В., Теплофизика высоких температур, 49 (2011), 213
  89. Smirnov R. D. et al., Phys. Plasmas, 22 (2015), 012506
  90. De Temmerman G., Doerner R. P., Pitts R. A., Nucl. Mater. Energy, 19 (2019), 255
  91. Agee F. J., IEEE Trans. Plasma Sci., 26 (1998), 235
  92. Guignard G. (Ed.), CERN 2000-008, CERN, Geneva, 2000
  93. Aicheler M. et al. (Eds.), CLIC Conceptual Design Report CERN 2012-007, CERN, Geneva, 2012
  94. Wuensch W., CERN-OPEN-2014-028, CLIC-Note-1025, CERN, Geneva, 2013
  95. Wu X. et al., Phys. Rev. Accel. Beams, 20 (2017), 052001
  96. Wuensch W. et al., Phys. Rev. Accel. Beams, 20 (2017), 011007
  97. Degiovanni A., Wuensch W., Giner Navarro J., Phys. Rev. Accel. Beams, 19 (2016), 032001
  98. Grudiev A., Calatroni S., Wuensch W., Phys. Rev. ST Accel. Beams, 12 (2009), 102001
  99. Descoeudres A. et al., Phys. Rev. ST Accel. Beams, 12 (2009), 092001
  100. Barbour J. P. et al., Phys. Rev., 92 (1953), 45
  101. Barengolts S. A., Kreindel M. Y., Litvinov E. A., IEEE Trans. Plasma Sci., 26 (1998), 252
  102. Sokolovski D., Baskin L. M., Phys. Rev. A, 36 (1987), 4604
  103. Wang J. W., Loew G. A., Frontiers of Accelerator Technology. Proc. of the Joint US-CERN-Japan Intern. School (Hayama/Tsukuba, Japan, 9-18 September 1996), S. I. Kurokawa, M. Month, S. Turner, World Scientific, Singapore, 1999, 768
  104. Barengolts S. A., Uimanov I. V., Shmelev D. L., IEEE Trans. Plasma Sci., 47 (2019), 3400
  105. Uimanov I. V., Shmelev D. L., Barengolts S. A., J. Phys. D, 54 (2020), 065205
  106. Miller S. С. (Jr.), Good R. H. (Jr.), Phys. Rev., 91 (1953), 174
  107. Murphy E. L., Good R. H. (Jr.), Phys. Rev., 102 (1956), 1464
  108. Анисимов С. И., Имас Я. А., Романов Г. С., Ходыко Ю. В., Действие излучения большой мощности на металлы, Под ред. А М Бонч-Бруевича, М. А. Ельяшевича, Наука, М., 1970
  109. Nordlund K., Djurabekova F., Phys. Rev. ST Accel. Beams, 15 (2012), 071002
  110. Pritzkau D. P., Siemann R. H., Phys. Rev. ST Accel. Beams, 5 (2002), 112002
  111. Simakov E. I., Dolgashev V. A., Tantawi S. G., Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. A, 907 (2018), 221
  112. Barengolts S. A. et al., IEEE Trans. Plasma Sci., 49 (2021), 2470

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).