ВАЖНЕЙШИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

2007

1. Генерация К-излучения планарными лайнерами.

В экспериментах на тераваттном генераторе ГИТ-12 исследованы динамика имплозии и излучательные характеристики алюминиевых планарных лайнеров при времени имплозии 600 &mdash4 1300 нс и токе 2.2 &mdash4 3.8 МА. Максимальный выход излучения в К-линиях алюминия составил 6 кДж/см, что в 1.5 раза выше выхода излучения двухкаскадных и комбинированных (газовый лайнер - проволочный каскад) лайнеров при сравнимых уровнях тока и временах сжатия. Показано, что динамика имплозии многопроволочного планарного лайнера удовлетворительно описывается нульмерной моделью в предположении равномерного распределения тока между проводниками. Тот факт, что расчетный кинетический энерговклад на один ион в 1.5 раза меньше минимальной энергии на ион, требуемой для эффективной генерации излучения в К-линиях, позволяет говорить о наличии дополнительных механизмах нагрева плазмы.
Отдел высоких плотностей энергии
(заведующий чл.-корр. РАН Н. А. Ратахин)

Эксперименты с планарным лайнером, проведенные в режиме быстрой (100 нс) имплозии [V. L. Kantsyrev et al., IEEE Trans. Plasma Sci. 34, 194 (2006)], показали, что данный вид нагрузки позволяет обеспечить б?льшие выходы рентгеновского излучения по сравнению с традиционными цилиндрическими лайнерами. Представляет интерес исследовать характеристики данного типа лайнеров с целью увеличения эффективности плазменных источников излучения в К-линиях, работающих в микросекундном режиме. Экспериментальные исследования динамики имплозии и излучательных характеристик планарных лайнеров в ИСЭ СО РАН проводились на генераторе ГИТ-12 (ток 4.7 МА, длительность импульса 1.7 мкс). В экспериментах варьировались количество проводников в лайнере, их диаметр, расстояние между проводниками и, следовательно, полная масса лайнера. Параметры нагрузки выбирались таким образом, чтобы обеспечить сжатие лайнера при временах имплозии от 600 нс до 1300 нс. При этом пиковый ток нагрузки составлял 2.2-3.7 МА. Динамика имплозии планарного лайнера регистрировалась с помощью временной развертки в оптическом диапазоне.

Рис. 1. Зависимость выхода излучения
в К-линиях алюминия от массы проволочного планарного лайнера
(° - диаметр проводника 20 мкм; • - диаметр проводника 35 мкм)

2. Гигаваттный черенковский СВЧ-генератор без внешнего магнитного поля

Впервые на основе исследования процессов формирования и транспортировки сплошных сильноточных электронных пучков без внешних магнитных полей разработана концепция вакуумного СВЧ-генератора черенковского типа с расчетным КПД до 40%. Для транспортировки электронного пучка через замедляющую систему используется эффект самофокусировки собственным магнитным полем. На основе сильноточного электронного ускорителя СИНУС-7 создан экспериментальный образец черенковского СВЧ-генератора без внешнего магнитного поля с импульсной мощностью до 1.5 ГВт на частоте 4 ГГц. Отказ от использования внешнего магнитного поля позволяет многократно снизить общие энергетические затраты на генерацию мощных СВЧ-импульсов в устройствах черенковского типа.
Отдел физической электроники
(заведующий д.ф.-м.н. В. В. Ростов)

Основным побудительным мотивом для разработки мощных импульсных СВЧ-генераторов без внешнего транспортирующего магнитного поля является снижение общих энергозатрат на генерацию, в которых расход энергии магнитными системами является, как правило, абсолютно преобладающим. Любые результаты, полученные в этом направлении, имеют значительную практическую ценность.

Особое внимание при разработке черенковского СВЧ-генератора без магнитного поля было уделено условиям формирования сплошного цилиндрического электронного пучка в планарном вакуумном диоде. Проведённые коллекторные измерения тока пучка вдоль гладкой трубы дрейфа за анодной сеткой продемонстрировали возможность транспортировки пучка на расстояния, существенно превышающие его диаметр. При этом распределение плотности тока по радиусу изменяется с пройденным от анодной сетки расстоянием. В процессе исследований была выбрана оптимальная на данный момент конфигурация металлодиэлектрического лезвийного катода и охранного электрода, которая позволила достигнуть более высоких показателей СВЧ-излучения, чем в предыдущей серии экспериментов. К настоящему времени на основе сильноточного ускорителя электронов СИНУС-7 реализован одномодовый (ТМ₀₁) режим генерации прибора с эффективностью около 12 %, пиковой мощностью около 1.5 ГВт и длительностью микроволновых импульсов 10 нс. При этом для ряда импульсов ускорителя наблюдались режимы, когда микроволновая мощность возрастала до 1.6—1.7 ГВт.

Рис. 2. Осциллограммы продетектированных СВЧ-сигналов с волноводно-полоскового ответвителя (1) и антенны (2), тока (3) и напряжения на вакуумном диоде

Типичные импульсы огибающей радиоизлучения представлены на рис. 2. Предполагается, что основное отличие от расчетной идеализированной модели (2.5-D моделирование методом "крупных частиц"), где удается получить КПД до 40%, заключается в несовершенстве условий формирования электронного потока (неравномерность эмиссии), потерях тока с катододержателя и в отсутствии плоской части на импульсе ускоряющего напряжения.

Работа выполнялась в рамках базового бюджетного финансирования СО РАН, программы фундаментальных исследований Президиума РАН "Фундаментальные проблемы релятивистской импульсной и стационарной электроники большой мощности", а также гранта РФФИ № 05-02-08028-офи_а.

3. Генерация ионов высокой зарядности в плазме дугового вакуумного разряда

В результате детального изучения эволюции зарядового состояния ионов в плазме вакуумного дугового разряда показано, что уменьшение средней зарядности ионов в течение импульса тока дуги определяется процессами перезарядки ионов с нейтралами. Использование короткого разрядного промежутка в сочетании с малой длительностью импульса и низким давлением газа обеспечивает генерацию многозарядных ионов в плазме вакуумного дугового разряда с зарядностью вплоть до 10+.
Лаборатория плазменных источников
(заведующий д.т.н. Е. М. Окс)

Одной из принципиальных особенностей функционирования вакуумного дугового разряда является заметное снижение средней зарядности i> ионов в плазме в течение импульса тока дуги. Такая эволюция зарядового состояния ионов наблюдается вплоть до миллисекундного диапазона длительностей и может быть связана как со снижением температуры ионизирующих электронов в области катодного пятна, так и с перезарядкой ионов при их движении от катода к аноду.

Исследования проводились совместно с группой применения плазмы Национальной Лаборатории им. Лоуренса, г. Беркли, США. Электродная система вакуумного дугового разряда была модернизирована таким образом, что имелась возможность варьирования расстоянием катод - анод, которое, в сущности, определяет протяженность дрейфа ионов при их движении от катода к аноду. Масс зарядовый состав ионов определялся с использованием времяпролетной методики.

Как показали эксперименты, уменьшение средней зарядности ионов в течении импульса тока дуги определяется прежде всего материалом катода. Однако для всех катодов функция < Q_i (t)> может быть аппроксимирована экспоненциальной зависимостью. Для конкретного материала катода степень снижения < Q_i (t)> возрастает с увеличением давления остаточного газа, и снижением частоты повторения импульсов тока дуги. Влияние тока разряда на эволюцию < Q_i (t)> неоднозначно и во многом определяется давлением насыщенных паров при рабочей температуре материала катода. Увеличение протяженности области дрейфа ионов от катода к аноду приводит к существенному снижению средней зарядности ионов (рис. 3).

Результаты проведенных исследований однозначно свидетельствуют в пользу механизма перезарядки ионов в межэлектродном промежутке. В связи с этим генерация в плазме вакуумной дуги многозарядных ионов может быть обеспечена сокращением протяженности промежутка в сочетании с короткой длительностью тока и выбором материала катода, обеспечивающем при большом токе дуги относительно малое испарение. Так, например, для платины, сокращение промежутка до 2 см, при соответствующем увеличении тока дуги до 2.6 кА и уменьшении длительности импульса тока до 8 микросекунд обеспечивало генерацию ионов с зарядностью вплоть до 10+ (рис. 4).

Рис. 3. Временная зависимость средней зарядности ионов в плазме вакуумного дугового разряда при различной протяженности области дрейфа ионов от катода с анода для катода из молибдена. Ток разряда 400 А, 1 Гц

Рис. 4. Характерный зарядовый спектр ионов в плазме вакуумного дугового разряда для платинового катода по токе разряда 4 кА, и длительности импульса 8 мкс

Работа выполнялась в рамках базового бюджетного финансирования СО РАН при поддержке грантами РФФИ.