ВАЖНЕЙШИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Важнейшие результаты научных исследований Института, завершенных в 2006 году

2006

1. Продемонстрирована возможность импульсно-периодической генерации наносекундных импульсов СВЧ-сверхизлучения 3-см диапазона длин волн с разбросом пиковой мощности, меньшим, чем разброс амплитуд импульсов ускоряющего напряжения. При этом получена пиковая мощность до 2 ГВт, превышающая пиковую мощность электронного пучка. Данные характеристики реализованы в пакетах импульсов длительностью до 2 секунд при частоте следования импульсов 100 Гц с использованием сильного ведущего магнитного поля.

В эксперименте использован сильноточный импульсно-периодический ускоритель электронов СИНУС-200, обеспечивающий ток электронного пучка до 4 кА в импульсах длительностью 8 нс при амплитуде ускоряющего напряжения до 370 кВ. В численных расчетах найдена оптимальная геометрия замедляющей системы и сформулированы требования к форме импульса ускоряющего напряжения. Коррекция формы высоковольтного импульса с амплитудой до 400 кВ заключалась в сокращения длительности фронта от 2.5 до 0.5 нс и в выравнивании плоской части импульса. Это удалось осуществить, используя коаксиальную передающую линию с частичным заполнением ферромагнитным материалом. Такой принцип обострения импульсов напряжения с уровнем 300-400 кВ применен впервые. Показано, что длительность фронта можно сократить таким образом от 2.5-4 нс (в зависимости от условий в основном разряднике ускорителя) до 0.6 нс (промежуток от 0.1 до 0.9 амплитуды импульса). При снижении амплитуды импульса менее 300 кВ наблюдается плавное нарастание длительности фронта вплоть до исходного значения. Для реализации пакетного режима генерации была разработана и изготовлена магнитная система на основе емкостного накопителя с электронной стабилизацией тока. Результаты эксперимента демонстрируют согласие с численным моделированием. Максимальный коэффициент преобразования мощности из электронного пучка в микроволновый импульс достигал 1.5 при амплитуде напряжения 310 кВ и токе 3.5 кА. Длительность импульса могла варьироваться от 0.7 нс до 1 нс путем малых изменений диаметра электронного пучка. Максимальная мощность СВЧ-импульсов достигала 2 ГВт, а при повышенных параметрах пучка (370 кВ, 4 кА) составляла около 1.8 ГВт с высокой стабильностью импульсов в пакете. Характерные значения среднеквадратичного отклонения микроволновых сигналов от среднего соответствовали уровню σ_P ≈ 1% при разбросе амплитуд напряжения на катоде σ_U = 1.2-1.4 %. В процессе эксперимента использовался один графитовый катод с толщиной стенки 0.4 мм. После 10⁵ импульсов не обнаружено задержки тока или микроволнового сигнала относительно фронта импульса напряжения, а также других признаков деградации взрывоэмиссионного катода, которые проявляются в условиях пониженного ведущего магнитного поля.

Рис. 1. Источник высоковольтных импульсов


Рис. 2. Сигналы с микроволнового детектора (наложение 100 импульсов)

2. На основании законов сохранения получены точные решения, описывающие отражение волны магнитной самоизоляции (ВМС) от нагрузки. Показано, что при отражении ВМС от нагрузки с импедансом меньшим, чем импеданс линии, происходит скачкообразное перераспределение токов в ВМС и электроны из межэлектродного пространства линии возвращаются на катод. Это значительно увеличивает эффективность передачи энергии от генератора в реальную нагрузку, намного превышая потери, связанные с рассогласованием линии и нагрузки.

Известно, что в случае, когда волновое сопротивление нагрузки меньше волнового сопротивления вакуумной магнитоизолированной линии (MITL), электромагнитная волна, отражаясь от нагрузки, конвертирует значительную часть вакуумного электронного тока в ток по катоду (re-trapping, RT), что приводит к увеличению эффективности генерации электронного пучка и тормозного излучения в диоде. В работе в рамках гидродинамической модели для электронного слоя получены уравнения, на основании которых исследовано отражение от нагрузки электромагнитной волны в "горячей" вакуумной передающей линии, приводящее к перераспределению токов в MITL. Впервые показано, что даже в режимах, близких к самосогласованному, осуществляется конечный скачок в состоянии электронного слоя, связанный с переходом линии с правой ветви кривой магнитной самоизоляции на левую ветвь. С целью проверки теоретических результатов были проведены расчеты характеристик линии, нагруженной на диод, с помощью электромагнитного PIC-кода KARAT. При этом величина зазора в диоде подбиралась так, чтобы при отражении волны ток и напряжение в линии изменялись незначительно. Расчеты показали, что после отражения волны от нагрузки при незначительном (менее 2.5%) уменьшении напряжения и увеличении тока в линии наблюдается резкое изменение состояния электронного слоя, сопровождающееся значительным (до 2.5 раза) увеличением тока по катоду. При этом соответственно увеличивается коэффициент использования мощности линии в диодах для рентгеновской радиографии.

Рис. 3. Кривая магнитной самоизоляции линии с диодной нагрузкой
для режима, близкого к самосогласованному. Точка А (γ₁ = 4.1)
соответствует состоянию линии в падающей волне, точка B (γ₂ = 1.7) -
в отраженной. Величина изменения релятивистского фактора Δγ_m = 2.4
определяется отрезком АВ

3. В результате исследования механизма генерации жесткого ультрафиолетового излучения из сильноточного разряда низкого давления сформулирована и обоснована новая концепция формирования многозарядной плазмы в излучающей области. Показано, что возникновение узкого излучающего канала связано не с магнитным сжатием столба плазмы, как предполагалось ранее, а с тем, что скорость ионизации газа на оси разряда опережает скорость ионизации в периферийных областях.

Одной из разновидностей импульсного разряда при низком давлении газа является так называемый псевдоискровой разряд. Он представляет собой сильноточный импульсный разряд при плоскопараллельной геометрии электродов и при наличии отверстий на оси электродной системы, за счет чего обеспечивается эффект полого катода. В последние несколько лет плазма псевдоискрового разряда при предельно коротких импульсах тока (около 100 нс) и при больших токах (более 10 кА) рассматривается как перспективный источник жесткого ультрафиолетового излучения в области длины волны 13.5 нм. Основные принципы зажигания разряда можно понять из рис. 4, иллюстрирующего одну из установок.

При очень больших токах разряда наблюдается так называемый обрыв тока (кратковременное его уменьшение в сильноточной стадии) и резкое повышение напряжения на промежутке в стадии обрыва. Традиционно это явление связывается с магнитным сжатием плазмы столба и как следствие с уменьшением индуктивности столба. Нагрев плазмы в процессе сжатия считается основным фактором, обеспечивающим генерацию жесткого УФ излучения.

В лаборатории низкотемпературной плазмы ИСЭ СО РАН предложена и обоснована принципиально иная концепция для интерпретации явления. Выявлено, что резкий обрыв тока разряда происходит при пониженных давлениях в условиях, когда скорость роста тока во внешней электрической цепи оказывается выше, чем скорость ионизационного нарастания проводимости в промежутке. При повышении давления явление обрыва тока выражено менее заметно. Тем не менее, наблюдается стадия повышения напряжения горения разряда при приближении тока к его максимальному значению. Именно эта стадия соответствует оптимальным условиям генерации жесткого ультрафиолетового излучения вблизи длины волны 13.5 нм. Показано, что в условиях оптимальной генерации излучения на оси разряда возникает тонкий нитевидный канал со степенью ионизации до 10 и более. Такой канал зарегистрирован с применением совместных наблюдений свечения разряда в оптическом диапазоне с помощью ССД камеры и осциллографирования временного поведения жесткого ультрафиолетового излучения в области вблизи 13.5 нм (рис. 5).

Качественная интерпретация механизма инициирования канала основана не на представлениях о магнитном сжатии столба плазмы, а на том, скорость ионизации газа на оси разряда оказывается выше, чем в периферийных областях.

Рис. 4. Схема экспериментальной установки для исследований
псевдоискрового разряда. 1 - керамическая камера (80 мм
в диаметре) с металлическими фланцами; 2, 3 - полый катод
и полый анод основного разряда; 7 - полупроводниковая вставка
системы инициирования разряда, 4, 10 - окна для оптических наблюдений;
8 - фланец для монтирование систем диагностики УФ излучения.
V₀ = (6 - 15) кВ, C₀ = (16 - 130) нФ, L₀ = (20 - 500) нГн.

Рис. 5. Осциллограммы напряжения на промежутке псевдоискрового
разрядника, тока через промежуток и форма импульса жесткого
ультрафиолетового излучения вблизи длины волны 13.5 нм совместно
с фотографиями свечения промежутка на различных стадиях. Фотографии
сделаны через окна расположенные на боковой стенке камеры и вдоль
с торца камеры (вдоль оси разряда). C₀ = 130 нФ,
индуктивность L₀ = 500 нГ, давление газа (ксенон) p = 10^-2 Тор,
начальное напряжение на промежутке V₀ = 8 кВ.

4. Проведены исследования излучательных характеристик плазмы объемных разрядов, инициируемых пучками электронов, генерируемыми в различных газах при давлениях до 12 атм. При возбуждении ксенона импульсным разрядом впервые получена плотность импульсной мощности излучения на димерах ксенона (длина волны 172 нм) 100 кВт/см². Создана безоконная эксилампа с площадью излучающей поверхности 23×23=529cm². На длине волны 126 нм получены плотность средней мощности излучения 1.6 мВт/² и средняя мощность излучения 0.8 Вт. Создана отпаянная эксилампа на димерах ксенона (λ ~ 172 нм) с возбуждением барьерным разрядом и площадью излучающей поверхности 20×20=400 см². Получена плотность средней мощности излучения 140 мВт/см² и средняя мощность излучения на λ ~ 172 нм в стационарном режиме 40 Вт.

Источники спонтанного излучения в вакуумной ультрафиолетовой (ВУФ) областях спектра востребованы в ряде современных технологий и широко исследуются в настоящее время. Большое внимание уделяется источникам спонтанного излучения на основе неравновесного излучения эксимерных и эксиплексных молекул - эксилампам, возбуждение которых осуществляется самостоятельным электрическим разрядам. В ИСЭ СО РАН на основе проведенных исследований были созданы три уникальные эксилампы ВУФ диапазона. Площадь излучающей поверхности безоконной эксилампы (λ ~ 126 нм) составляла 23×23=529 см². Особенностью используемого для возбуждения разряда является значительная неоднородность электрического поля вблизи острийного катода. Поэтому даже при небольшой разности потенциалов между электродами, величина электрического поля из-за появления у катода быстрых электронов достаточна для зажигания однородного разряда. Средняя мощность излучения, измерянная на расстоянии 2 cm от катода достигала 1.6 мВт/см². Полная мощность излучения через площадку размеров 23×23 см на расстоянии 2 см от катода превышала 0.8 Вт.

Рис. 6. Внешний вид безоконной эксилампы (λ 126 нм)

Рис. 7. Внешний вид излучателя и генератора возбуждения отпаянной
ксеноновой эксилампы (λ ~ 172 нм), ниже - фотография одного
излучателя в рабочем режиме

В отпаянной ксеноновой эксилампе возбуждение ксенона осуществлялось при частоте следования импульсов до 100 кГц. Наибольшая средняя мощность излучения превышала 50 Вт, а плотность мощности излучения достигала 140 мВт/см². В стационарном режиме при эффективном отводе тепла из газоразрядной области средняя мощность излучения составила 40 Вт.

Для получения высокой импульсной плотности мощности излучения был использован объемный разряд, инициируемый пучком электронов, который генерировался в разрядном промежутке. Такие разряды формируются в неоднородном электрическом поле без применения дополнительного источника предыонизации. Объемный разряд был получен в ксеноне, криптоне и аргоне при давлении 1.5 атм, а в гелии при давлении 12 атм. В ксеноне, криптоне и аргоне было зарегистрировано мощное широкополосное излучение димеров инертных газов в ВУФ области спектра. При возбуждении ксенона впервые получена плотность импульсной мощности излучения 100 кВт/см². В криптоне и аргоне интенсивность излучения димеров была, соответственно, в 1.5 и 2 раза меньше.