ВАЖНЕЙШИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

2009

1. На базе сильноточного ускорителя электронов создан и запущен усилитель фемтосекундных импульсов лазерного излучения в области длин волн 475 нм. Усилитель предназначен для исследования физических принципов и отработки методов формирования лазерных импульсов мультитераваттной мощности в газовых активных средах. Для лазерного усиления использован переход C — A эксимерных молекул XeF, образующихся при фотодиссоциации молекул XeF₂ под действием вакуумного ультрафиолетового (ВУФ) излучения. ВУФ излучение с длиной волны 172 нм генерируется при накачке газообразного ксенона сильноточным электронным пучком длительностью 250 нс с энергией в импульсе 3.5 кДж. Ускоритель электронов построен на основе импульсного генератора Маркса. Длина активной области усилителя 120 см, апертура 12 см × 12 см. В экспериментах по прямому усилению импульса длительностью 50 фс в многопроходной оптической схеме получена выходная энергия излучения 250 мДж.
Лаборатория газовых лазеров совместно с ФИАН

Один из возможных путей достижения тераваттной и петаваттной мощности в лазерном пучке заключается в усилении фемтосекундного импульса в газовой активной среде. Достоинством таких активных сред, благодаря их низкой оптической нелинейности, является возможность усиливать импульсы с длительностью в сотни фемтосекунд без использования сложных и дорогостоящих вакуумных компрессоров на основе дифракционных решеток, которые требуются для твердотельных систем.

Наиболее перспективной на данный момент является активная среда на основе эксимерных молекул XeF (переход C — A). Эти молекулы обладают широкой полосой усиления (Δλ = 60 нм), что теоретически позволяет усиливать спектрально-ограниченный импульс с длительностью около 10 фс. Лазерный переход лежит в сине-зеленой спектральной области (480 нм), совпадающей со второй гармоникой Ti:Sa лазера, что позволяет использовать последний в качестве стартового генератора фемтосекундных импульсов. Также важно, что газовая активная среда не имеет существенных физических ограничений на ее масштабирование (и, следовательно, на наращивание мощности излучения одного усилительного модуля).

В ИСЭ СО РАН на базе мощного ускорителя электронов создан XeF (C — A) усилитель с апертурой 12 см × 12 см. Усилитель смонтирован и запущен на территории ФИАН.

Внешний вид усилителя с газовакуумным пультом

Накачка активной среды в лазерной камере усилителя производится при взаимодействии ВУФ излучения со смесью азота и паров XeF2. Для улучшения однородности возбуждения использована четырехсторонняя накачка. ВУФ излучение генерируется в ксеноновом конвертере, который накачивается электронным пучком. Пучок формируется в вакуумном диоде и через фольгу инжектируется в конвертер с четурех сторон. Импульсное питание вакуумного диода осуществляется непосредственно от генератора Маркса с вакуумной изоляцией.

Конструкция ускорителя электронов основана на уникальной технологии, разработанной в ИСЭ СО РАН под руководством акад. Б. М. Ковальчука. Импульсный генератор, питающий вакуумный диод, имеет 8 ступеней, заряжаемых до напряжения 80 кВ. Каждая из ступеней образована тремя конденсаторами с емкостью 180 нФ и тремя искровыми промежутками, включаемыми параллельно. Генератор размещен в металлическом корпусе и непосредственно соединен с вакуумным диодом. Внутренний объем генератора и искровые промежутки заполнены смесью сухого воздуха и SF6. Такая конструкция позволяет минимизировать индуктивность разрядного контура генератора, габариты и вес ускорителя. Каждый из четырех катодов вакуумного диода формирует электронный пучок шириной 15 см и? длиной 120 см. Материалом взрывоэмиссионных катодов служит графит, покрытый флоком. Величина ускоряющего промежутка 50 мм. С целью уменьшения потерь электронов за счет влияния собственного магнитного поля пучка в вакуумном диоде имеется токоотводящая пластина, дополнительно соединяющая газовую камеру по всей ее длине с корпусом диода.

Рабочие параметры ускорителя при зарядном напряжении 80 кВ: энергия, запасенная в конденсаторах, 15,4 кДж; ток в вакуумном диоде 70 кА; ускоряющее напряжение в диоде 450 кВ; длительность импульса тока 400 нс; общая энергия электронного пучка в диоде 12 кДж; энергия пучка за фольгой 3,5 кДж при длительности импульса пучка на полувысоте амплитуды 250 нс.

Электронный пучок инжектируется в газовую камеру (ксеноновый конвертер) через 40-мкм титановую фольгу. Давление ксенона в конвертере 3 атм. При возбуждении ксенона электронным пучком образуется излучение эксимерных молекул Xe₂* в области 172 нм, используемое для накачки активной среды. Внутри конвертера располагается лазерная камера прямоугольного сечения. ВУФ излучение конвертера входит в лазерную камеру через окна из CaF₂ размером 12 см × 12 см. Апертура лазерной камеры 12 см × 12 см; камера заполняется смесью XeF₂:N₂ под давлением 0,25 — 1 атм. Под действием ВУФ излучения в лазерной кювете происходит фотодиссоциация молекул XeF₂ с образованием эксимерных молекул XeF(B). Состояние (С) лазерного перехода XeF(C — A) образуется в результате релаксации XeF(B) при столкновении с молекулами буферного газа N₂.

По оценкам, электронный пучок должен практически полностью поглощаться ксеноном при давлении 3 атм. Измеренная по скачку давления энергия пучка, вложенная в ксенон, составляла 2.5 — 3 кДж. Экспериментально измеренная калориметром энергия ВУФ излучения, прошедшая в лазерную камеру, достигала 160 Дж.

Измерение доли ВУФ составляющей в излучении конвертера с помощью фильтров показало, что на новой порции ксенона она составляет более 90 %. Однако по мере загрязнения ксенона (число импульсов более 100, или после длительного нахождения ксенона в газовой камере — месяц и более), наряду со снижением общего уровня энергии излучения, доля ВУФ излучения может снижаться вплоть до нуля. Индикатором снижения энергии ВУФ излучения в эксперименте является снижение коэффициента усиления в активной среде от его максимального (начального) значения.

Величина поглощенной энергии ВУФ излучения молекулами XeF₂ зависит от их концентрации и геометрического фактора. Максимальная вложенная энергия ВУФ излучения при оптимальном давлении паров XeF₂ 0.4 мм рт. ст. составляла около 100 Дж.

Измерения коэффициента усиления показали, что он существенно зависит от концентрации паров XeF₂ и измеряемой области в лазерной камере, при этом его величина находится в диапазоне (1.5-2.5)·10^-3 см^-1. Длительность импульса усиленного сигнала на полувысоте амплитуды составляла около 240 нс.

На усилителе были проведены первые эксперименты по усилению фемтосекундного импульса излучения, сформированного в Ti:Sa системе. При этом энергия импульса излучения Ti:Sa системы была 3 — 4 мДж, длительность импульса 50 фс, спектральная область с центром 475 нм. Эксперименты по прямому усилению фемтосекундного импульса излучения осуществлялись в резонаторе-ловушке, в которой лазерный пучок проходил через активную среду 35 раз. Наибольшая энергия излучения, полученная на выходе усилителя, составила 250 мДж.

2. На установке МИГ проведены эксперименты по генерации сильноточных релятивистских электронных пучков в плазмонаполненом стержневом пинч-диоде с целью создания эффективного радиографического рентгеновского источника. Получены следующие параметры электронного пучка и импульса рентгеновского излучения: энергия электронов 1 — 1.8 МэВ; ток пучка, сфокусированного на окончании стержневого анода, 0,15 — 0,25 MA; доза излучения в 1 м от диода 2 — 4 рад; длительность импульса излучения 10-30 нс; размер источника излучения 0,6 — 1 мм. Достигнутые параметры значительно превышают параметры существующих в мире аналогов рентгеновских источников на базе вакуумных диодов.
Отдел высоких плотностей энергии

Проведены экспериментальные исследования, направленные на разработку эффективного радиографического рентгеновского источника на основе плазмонаполненного стержневого пинч-диода (plasma-filled rod-pinch diode) и низкоимпедансного сильноточного генератора. Мощные наносекундные рентгеновские источники с высоким пространственным разрешением, как правило, находят применение в радиографии взрывных гидродинамических процессов. Кроме того, в связи с высокой плотностью энергии электронного пучка, формируемого в плазмонаполненном стержневом пинч-диоде, разработанное на основе проводимых исследований устройство может быть использовано для генерации сгустков плазмы с высокой плотностью энергии, а, также, в качестве рентгеновского источника для проведения испытаний по радиационной стойкости радиоэлектронной аппаратуры. Отличительная особенность реализованного подхода к созданию источника рентгеновского излучения заключается в том, что для формирования короткого импульса высокого напряжения и низкоимпедансного (единицы Ом) электронного диода используется одно устройство - плазмонаполненный стержневой пинч (ПНСП) диод, которое потенциально позволяет достигать плотностей энергии в электронном пучке, на два порядка превышающих плотность энергии в традиционных вакуумных диодах.

В эксперименте на сильноточном генераторе МИГ (1.3 МВ; выходной импеданс 0,65 Ом) проведены исследования по формированию рентгеновского радиографического источника на основе плазмонаполненного стержневого пинч (ПНСП) диода.с целью определения условий эффективной передачи энергии низкоимпедансного сильноточного генератора в энергию электронного пучка, сфокусированного на мишень размером около 1 мм и менее и создания рентгеновского источника излучения с улучшенными параметрами (малый размер и высокая доза источника излучения).

В экспериментах апробированы две схемы (конфигурации) стержневого пинч-диода с инжекцией плазмы в межэлектродный зазор. Одной из задач исследований был поиск такого исходного распределения массы инжектированной плазмы, которое обеспечило бы накопление в индуктивной нагрузке магнитной энергии на временном интервале сравнимом с длительностью импульса напряжения генератора и, в последующем, формирование низкоимпедансного (несколько Ом) электронного диода.

Род-пинч-диод с плазменным заполнением: стадии протекания тока: а - протекание тока по плазме, ее сжатие к оси, "накачка" индуктивного контура генератора (стадия "z-пинча"), б - вытеснение плазмы в осевом направлении, переключение тока на стержень, индуктивный рост напряжения; в - стягивание тока к вершине стержня, генерация рентгеновского импульса в максимуме напряжения.

Получены следующие параметры сформированного в ПНСП диоде электронного пучка и импульса рентгеновского излучения: энергия электронов 1 — 1.8 МэВ, ток пучка, сфокусированного на окончание стержневого анода, 0.15 — 0.25 MA, доза излучения в 1 м от диода 2 — 4 рад (по измерению LiF термолюминисцентным детектором), длительность импульса излучения 10 — 30 нс, размер источника излучения 0.6 — 1 мм. В связи со значительно более высокой плотностью электронного тока в ПНСП диоде достигнутые параметры существенно превышают параметры существующих аналогов на базе вакуумных диодов.

3. Впервые показано, что электронно-пучковая обработка является эффективным методом модификации поверхности несущих анодов твердооксидных топливных элементов, позволяющим уменьшать размер пор их поверхностного слоя, а также методом обработки тонких пленок стабилизированного иттрием оксида циркония, позволяющим сформировать газоплотный тонкопленочный электролит при толщине 2 — 3 мкм. Плотность мощности, полученная в топливной ячейке, изготовленной с применением предложенного метода, при температуре 750°С составила 500 мВт/см² при использовании воздуха в качестве окислителя и 650 мВт/см² при использовании кислорода.
Лаборатория прикладной электроники, лаборатория вакуумной электроники

Посредством импульсной электронно-пучковой обработки проведена модификация поверхности пористых анодов твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ) с целью снижения пористости и размера пор поверхностного слоя. Показано, что обработка поверхности электронным пучком сопровождается плавлением поверхностного слоя толщиной 1 — 2 мкм и снижением газопроницаемости образцов с 400 до 40 — 50 мл/мин. Определены оптимальные режимы электронно-пучковой обработки: энергия электронов 10 — 12 кэВ, плотность энергии пучка 0.8 — 2.5 Дж/см2, ток пучка 15 кА, длительность импульса 2 — 2,5 мкм, число импульсов 1 — 3.

Исследован процесс формирования пленок ZrO₂:Y₂O₃ электролита в различных режимах магнетронного распыления. Показано, что оптимальным режимом нанесения ZrO₂:Y₂O₃ является импульсный режим работы магнетрона на частоте 50 кГц. При мощности разряда 1,5 кВт скорость осаждения пленки составила 2.5 мкм/ч.

Показано, что структуры с наименьшей газопроницаемостью (~ 1 мл/мин) получаются в случае электронно-пучковой обработки анодов с предварительно нанесенным подслоем ZrO₂:Y₂O₃ (толщиной 0,5 — 1 мкм) и последующим нанесением основного слоя ZrO₂:Y₂O₃ электролита (толщиной 2 — 3 мкм). В этом случае, получаемый после электронно-пучковой обработки слой имеет гладкую поверхность, что приводит к подавлению столбчатого механизма роста пленки электролита и формированию более плотного покрытия.

Вольтамперные и мощностные кривые топливной ячейки
снятые в атмосфере воздуха в интервале температур 550 — 800 С.

Исследованы электрохимические характеристики топливной ячейки диаметром 20 мм, изготовленной по предложенной технологии с использованием намазного LnSrMnO₃ катода. В исследуемом диапазоне температур 550 — 800°С топливная ячейка продемонстрировала высокие плотности генерируемой мощности 80 — 600 мВт/см² и 270 — 900 мВт/см² при использовании воздуха и кислорода в качестве окислителя, соответственно. Методом импедансной спектроскопии показано, что сопротивление электролита в указанных режимах мало и лежит в диапазоне 0,27 — 0,62 Ом.