The design and testing results of a small and versatile pulsed system "SNU" are described. This machine has a 3 KJ, 600 KV, 12 stages Marx generator that charges 6.8 ohm water filled pulseforming line, which is then connected to a load through a self breakdown spark switch. The triggering characteristics of Marx generator is shown to be very stable and output reproducibility is also fairly good. This peaked pulse generator is designed to be versatile in output parameters of polarity, pulse length and impedance. It is shown that the energy conversion efficiency of "SNU" versatile electron beam accelerator from the Marx generator to the electron beam is reached up to about 63% in a condition where the $N_2$ gas pressures of Marx and pulse line switches are 0.3 Kg/㎠ and 3 Kg/㎠ , respectively, and the vacuum of diode chamber is $1.3×10^{-2}$ Torr.
The steady-state one dimensional theoretical model of the intense relativistic electron beam propagation within the vacuum diode and its numerical results are presented. The characteristic curves of injection current density and its beam radius are exactly obtained as a function of the diode voltage. The experimental investigation of intense relativistic electron beam propagation in vacuum diode has also been reported. The beam current rises to its peak value 30 KA in about 60 nsec, which is nearly same as pulse width, and then decayed without any positive part of tail oscillation. It is shown that the virtual cathode is not formed in vacuum diode regime from the both theoretical and experimental results.
The steady-state equilibrium properties of bipolar electron and ion flow in a relativistic planar diode were calculated within the framework of the cold-fluid-Poisson equations. An exact analytic solution for the electron current density was obtained in terms of diode voltage, the anode-cathode gap and the parameter of ion current. It was found that ion presence in the diode significantly enhances the electron current, although the ion current is less than few percent of the electron current. In an appropriate physical parameter regime, the electron current with counterstreaming ions is more than twice of that without ions. Particularly, profiles of the electric field are drastically different from each others for different values of the parameter q, where q denotes an arbitrary amount of ion current.
The propagation characteristics of intense relativistic electron beam (240 KV, 30 KA, 60 nsec) in evacuated drift tube are experimentally reported. At the Rogowski locations in the drift tube, the positive parts of tail oscillation are observed, which are due to the return current of lower energy electrons from virtual space potential. The net propagating peak current rising times were decreased as the beams are propagated along the drift tube, which are due to the two stream instability to be generated between the propagating electron beams and counterstreaming return current electrons. The major reasoning that the net propagating peak currents are rapidly decreased as the intense electron beams are propagated along the drift tube is due to the axial loss of electrons in forms of return current. The measured location of the virtual cathode in the vacuum drift tube is good agreement with the theoretical prediction, and the measured net propagating peak currents in the drift tube are also good agreement with the theoretical results of many vitual cathodes model.
Influences of Hall current on the stability properties of azimuthally symmetric perturbations of a selfpinched electron or ion beam immersed in a resistive plasma are theoretically investigated within the framework of the Vlasov-Maxwell equations. The perturbed space charge and plasma current with the Hall term are treated selfconsistently for any value of the plasma conductivity. It is assumed that ν/$γ_b$<1, where ν is Budker's parameters and $γ_b mc^2$ is the characteristic beam electron energy. It is shown that the growth rates of the system (n = 1 sausage mode and n = 2 hollowing mode) are significantly enhanced by the influence of the Hall currents in the high conductivity background plasma.
제 2장에서는 소형 융통성 펄스 출력장치인 "SNU"의 설계와 이의 시험 결과를 보고하였다. "SNU"는 대학연구실에서 유지할 수 있는 경제적이고, 또한 응용에 따라 출력 특성을 쉽게 바꿀 수 있는 장치이다. 특히 Marx generator의 triggering 특성이 상당히 안정함을 보여주고, output reproducibility 또한 퍽 좋음을 알 수 있다. 이 장치의 최대 저장 가능 에너지는 3 KJ 이며, 최고 출력전압은 600 KV, 그리고 최대 출력 전류는 83 KA 이다.
Marx generator와 Pulse.line switch의 질소기체 압력을 각각 0.3 kg/㎠, 그리고 3 kg/㎠로 유지하고, diode chamber의 진공도를 $1.3×10^{-2}$ Torr로 유지했을 때, "SNU" 전자 빔 발생장치의 에너지 변환 효율은 약 63 %까지 올라간다.
제 3장에서는 진공 diode 안에서 전파하는 강렬한 상대론적 전자빔의 특성을 이론 및 실험적으로 조사하였다. 방출되는 전류 밀도와 전자 빔의 반지름을 diode 전압의 함수로써 나타내었다. 그리고 diode 안에서의 전위, 전기장, 전자속도 그리고 전하분포에 관한 특성곡선을 구했다. 진공 diode 안에서의 강렬한 상대론적 전자 빔의 전파 특성에 관한 실험적 조사를 수행하였다. Diode 전압을 240KV로 하였을 때, 전자 빔의 전류는 펄스폭과 같은 약 60 nsec가 지난 뒤 최대값 30 KA까지 올라가며, 그 후 아무런 진동 없이 서서히 감소한다. 이러한 현상은 diode안에서 가상음극이 형성되지 않음을 보여주며, 이는 이론적 결과와 잘 일치한다.
제 4장에서는 상대론적 평면 diode 안에서의 전자 흐름에 미치는 이온 흐름의 효과를 이론적으로 조사하였다. 전자 전류 밀도에 대한 해를 diode 전압, anode cathode 간의 거리, 그리고 이온 매개 변수인 q의 함수로서 정확히 구했다. Diode 안에서의 이온 효과로 인해서, 전자 전류는 급증하며 이때 ion 전류는 전자 전류의 몇% 밖에 되지 않는다. 적절한 물리매개변수 영역에서, 역류하는 이온의 효과는 전자전류를 2배 이상으로 증가시키며, 이때의 전기장, 전위 그리고 전하 분포 등에 관한 특성곡선을 제시했다. 특히 전기장의 분포는 이온 매개변수 q의 값에 따라서 급격히 변화하며, 이때 전기장의 최소값은 약 $1.2 V_o/d$의 값을 가진다. 그리고 이온 흐름이 공간전하 한계 전류조건에 이를수록 전하중성 위치는 diode 안에서 cathode쪽으로 이동함을 보였다.
제 5장에서는 진공 도파관 안을 진행하는 강렬한 상대론적 전자 빔의 전파 특성을 실험적으로 조사하였다. 이를 위해서 240 KV, 30 KA 그리고 60 nsec의 전자 빔을 발생시켰다. 진공도파관에서의 전파특성을 가상음극과 이류불안정성 모델로 설명하였다. 전자 빔 전류의 signal 꼬리 진동은 가상음극의 공간 전위에 의한 저에너지 전기 빔의 반사 전류에 기인한 것이며, 최대 전류 상승시간이 진공도파관을 진행함에 따라 감소하는 현상은 전자 빔의 전류가 임계 전류보다 클 때 발생하는 이류 불안정성의 효과에 기인한다. 전자 빔이 전파함에 따라 최대 전류의 값이 감소하는 주 원인은 가상음극의 공간전위에 의한 전자 빔의 반사전류에 기인한 축방향 손실로 보여진다. 진공 도파관의 Rogowski coil의 최대 전류 실험 측정값은 가상음극 모델에 의한 이론 결과와 잘 일치한다.
부록에서는 self-pinched 전자 빔이 기저 플라즈마 속을 전파할 때 생기는 방위각 대칭 - 불안정성에 대한 Hall 전류 효과를 이론적으로 조사했다. n = 1 과 n = 2 축대칭 모우드에 대한 Hall 전류의 영향은 고전도성 기저 플라즈마에서만 지대하며, 여기서 n = 1과 n = 2 (-) 모우드는 Hall 전류에 의해서 상당히 증가하고, 이 중에서 n = 1 mode가 가장 불안정하다. 저전도성 기저 플라즈마에서의 Hall 전류의 효과는 거의 없으며, 여기에서는 n = 0와 n = 1 모우드가 가장 불안정하다. 또한 플라즈마 역전류가 없을 때, n = 1과 n = 2 모우드에 대한 Hall 전류의 효과는 최대가 되며, 그리고 전류중성이 완전히 이루어졌을 때는 고전도성 기저 플라즈마 속에서 Hall 전류의 효과는 사라짐을 보였다.
