ВАЖНЕЙШИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

2010

1. Впервые в мире продемонстрирована высокостабильная фазовосинхронная генерация мощных наносекундных СВЧ-импульсов в двухканальном импульснопериодическом источнике, что открывает возможность для наращивания плотности мощности излучения в луче и управления направлением луча при когерентном сложении полей синфазно работающих импульсных релятивистских СВЧ-генераторов.
Отдел физической электроники,
заведующий д.ф.-м.н. В. В. Ростов

Генераторные каналы (релятивистские лампы обратной волны 3-см диапазона длин волн с сильноточными электронными пучками) питались от общего источника наносекундных высоковольтных импульсов СИНУС-200 по схеме с равным делением мощности. Фазовая синхронизация каналов обеспечивалась за счет крутизны фронта высоковольтного импульса (которая достигалась передачей импульса по линии с ферритовым заполнением) и не требовала волновой связи между каналами. В результате при длительности фронта питающего импульса 500 пс стандартное отклонение межканальной разности фаз высокочастотных колебаний не превышало 1 % от периода колебаний (около 1 пс на временной шкале). Это обеспечило стабильно воспроизводимую от импульса к импульсу интерференционную картину сложения полей излучения каналов.

Внешний вид источника с пристыкованным калориметром на каждом канале


Импульсы высокочастотных колебаний в двух каналах, измерение стандартного отклонения разности фаз

Источником высоковольтных импульсов являлся импульсно-периодический генератор СИНУС-200, в котором маслонаполненная формирующая линия с волновым сопротивлением 30 Ом заряжается с помощью встроенного импульсного трансформатора Тесла и коммутируется на передающую коаксиальную линию неуправляемым азотным разрядником с принудительной прокачкой газа. Амплитуда зарядного напряжения формирующей линии высоковольтного генератора составляла 550—580 кВ. Типичное стандартное отклонение пробойного напряжения разрядника при частоте следования импульсов до 100 Гц не превышает 2 %. Установка позволяет работать в импульснопериодическом режиме пакетами длительностью до нескольких десятков секунд. Сформированный импульс напряжения с длительностью на полувысоте 9 нс и фронтом около 2 нс проходит обостряющий разрядник в виде отрезка коаксиальной передающей линии с ферритовым заполнением. Далее импульс с длительностью фронта менее 1 нс передается по коаксиальному тракту с масляной изоляцией через Т-образный коаксиальный тройник и 90-градусные повороты на два вакуумных диода. Амплитуда катодного напряжения достигала 300 кВ при длительности импульса около 9 нс и длительности фронта импульса около 0,8 нс.

Трубчатые сильноточные электронные пучки формируются в коаксиальных диодах с магнитной изоляцией. Для формирования и транспортировки пучков через замедляющие системы использованы два идентичных соленоида, создающие магнитное поле 0,55 T в замедляющей системе и 0,7 T в области катода. Таким образом, СВЧ-генераторы работали в области сравнительно малых магнитных полей (ниже циклотронного резонанса).

Оптимальный импеданс вакуумных диодов составил величину около 120 Ом. Для улучшения согласования в передающих линиях имеется ступенчатое повышение волнового сопротивления до 75 Ом. Длина линий была выбрана достаточной для того, чтобы исключить одновременное прохождение через ферритовый обостритель прямого и отраженного высоковольтных импульсов. В вакуумных диодах использованы металлодиэлектрические катоды из фольгированного стеклотекстолита диаметром 30 мм и толщиной кромки 0,2 мм. Геометрия замедляющей системы с длиной 25 периодов гофрировки и резонансным рефлектором оптимизировалась в численном эксперименте с помощью кода KARAT.

Для вывода излучения рабочая волна TM₀₁ в каждом из каналов трансформируется с помощью конвертора в волну TE₁₁ круглого волновода, которая излучается антенной в виде га-уссова волнового пучка. Расстояние между осями антенн каналов 50 см.

Для регистрации СВЧ-излучение от антенн ослаблялось подключенными к ним апертурными аттенюаторами с ослаблением около 40 дБ. Аттенюатор представлял собой металлический корпус в виде широкого стакана, заполненный поглотителем (этиловый спирт) и закрытый диэлектрическим окном с толщиной, выбранной из соображений минимизации отражения падающей СВЧ-мощности.

Задача экспериментов заключалась в измерении величины разброса разности фаз СВЧ-колебаний между каналами от импульса к импульсу. Использовались различные схемы измерений. В измерениях по первому методу два сигнала подавались на цифровой запоминающий осциллограф Tektronix TDS6154C с аналоговой полосой 15 ГГц. В измерениях по второму методу сигналы суммировались. В третьем методе суммарный сигнал подавался на детектор. Длительность СВЧ-импульсов составляла 3—3,5 нс, а фронт около 1,5 нс. Мощность генерируемых импульсов в каждом канале достигала в эксперименте около 300 МВт и измерялась с помощью калориметра. Совокупность результатов измерений стандартного отклонения разности фаз разными методами позволяет заключить, что в условиях эксперимента среднее значение этой величины составляло около 0,1 радиан или 1,6 пс. Проведена модернизация установки с целью обеспечить возможность независимой электронной регулировки длительности фронта импульсов напряжения на катодах на основе передающих линий, заполненной ферритом с управляемым подмагничиванием. Это позволит исследовать зависимость разброса разности фаз от крутизны фронта напряжения и осуществить регулировку относительной фазы колебаний в двух каналах, то есть электронное сканирование лучом в горизонтальной плоскости.

2. Создан уникальный источник сверхширокополосного излучения с 16-элементной антенной решеткой, формирующий импульсы излучения длительностью 80 пикосекунд на половинном уровне амплитуды с рекордным для такой длительности эффективным потенциалом 370 киловольт.
Лаборатория высокочастотой электроники,
заведующий д.ф.-м.н. В. И. Кошелев
Отдел импульсной техники,
заведующий академик Б. М. Ковальчук

Антенная решетка возбуждается биполярными импульсами длительностью 230 пс, амплитудой 130 кВ, следующими с частотой повторения до 100 Гц. Нестабильность излучения составляет около 3% в течение одного часа непрерывной работы на частоте 100 Гц. Удельная характеристика источника, определяемая как отношение эффективного потенциала излучения к площади апертуры, превосходит все известные в мире аналогичные источники, использующие антенны с параболическим отражателем и решетки ТЕМ антенн, возбуждаемых монополярным импульсом, на 1#mdash;2 порядка, что обеспечивается использованием в решетке компактных высокоэффективных комбинированных антенн.

Разработанный источник может быть использован для радиолокации объектов с сантиметровым пространственным разрешением и исследований устойчивости электроники к воздействию сильных электромагнитных полей пикосекундной длительности в полосе частот 2#mdash;8 ГГц.

Внешний вид источника излучения: 1 - генератор монополярных импульсов, 2 - формирователь биполярных импульсов, 3 - волновой трансформатор, 4 - делитель мощности, 5 - 16-элементная решетка

3. В сильноточной вакуумной дуге впервые обнаружены яркие плазменные оболочки, появление которых объясняется взаимодействием между потоками высокоионизованной катодной и слабоионизованной анодной плазмы с образованием устойчивого ионизационно-рекомбинационного фронта. Полученные данные требуют пересмотра физических механизмов генерации анодной плазмы сильноточной вакуумной дуги, а также уточняют понимание механизма выключения токов короткого замыкания в вакуумных сетевых выключателях.
Лаборатория вакуумной электроники,
заведующий к.ф.-м.н. А. В. Батраков

Экспериментальные данные получены с использованием скоростной регистрации спектрально-дифференцированных изображений сильноточной вакуумной дуги, горящей между электродами из контактного материала Cu_0.75Cr_0.25,. Основная доля излучения из оболочки соответствует линиям паров материала электродов. Светящаяся оболочка окружена диффузным свечением, излучаемым ионами. Интенсивность свечения внутри оболочки много меньше, чем внутри нее. В результате формируется, в котором происходит резонансная перезарядка атомов и ионов.

При горении сильноточной вакуумной дуги анод играет активную роль, являясь источником плазмы. В отличие от катодной плазмы, генерируемой катодными пятнами, анодная плазма имеет менее высокую температуру, и её плотность и скорость разлёта сильно зависит от режима горения вакуумного разряда. В моделях, описывающих процессы генерации анодной плазмы и её влияние на разряд в целом, полагается, что процесс ионизации испаряющегося материала анода реализуется в непосредственной близости от поверхности анода, и анодная плазма является, как и катодная, высокоионизованной. Как оказалось в экспериментах с сильноточной вакуумной дугой, горящей между электродами из композиционного материала Cu_0.75Cr_0.25, используемого в качестве материала контактов вакуумных сетевых выключателей, при токах единицы и десятки кА интенсивность испарения материала анода может быть настолько велика, что область ионизации анодных паров находится на значительном удалении от поверхности анода, образуя яркий факел, основной свет которого излучается внешний границей факела, тогда как интенсивность свечения внутри яркой оболочки пренебрежимо мала, т.е. наблюдаемый объект представляет собой светящуюся оболочку.

Изображение 1-см разрядного промежутка при протекании тока вакуумной дуги амплитудой 10 кА (а) и распределение интенсивности свечения в области, выделенной пунктиром, с использованием обратного преобразования Абеля (б)

Информация, принципиально важная для понимания процессов образования оболочек, была получена при регистрации изображений объекта через интерференционные светофильтры с шириной пропускания на полувысоте ~ 10 нм и соответствующие линиям излучения частиц материала электродов. Оказалось, что основной свет оболочки излучается нейтральными частицами. При этом яркая оболочка окружена относительно слабым по интенсивности свечения ореолом, свет которого излучается ионами. Принимая во внимание тот факт, что катодная плазма является практически полностью ионизованной, и ионная свечение расположено над оболочкой относительно поверхности анода, можно сделать заключение, что оболочка является результатом столкновения анодного потока слабоионизованной плазмы с катодным потоком высокоионизованной плазмы. В области столкновения происходит резонансная перезарядка атомов и однозарядных ионов, в результате чего появляется большое количество возбуждённых атомов, сосредоточенных в узкой области пространства. Толщина оболочки L порядка 1 мм. Можно ожидать, что L ≈ ο^-1N_a^-1, где σ - сечение резонансной перезарядки атомов и ионов (~10^-14 см²) и N_a - характерная концентрация паров внутри оболочки. Оценка даёт значение 10¹⁵ см^-3 для N_a, соответствующее давлению ~ 10 Па внутри оболочки, что хорошо согласуется с данными для вакуумных сетевых выключателей, где реализуются подобные режимы горения дуги.

Таким образом, наблюдаемые яркие оболочки в анодной области сильноточной вакуумной дуги представляют собой ионизационно-рекомбинационные фронты. Такие фронты ранее не наблюдалось, поскольку при получении изображений использовались слишком длинные экспозиции.

Изображения вакуумной дуги на медно-хромовых электродах на длине волны линии излучения паров (а), ионов (б) и паров и ионов (в), полученные одновременно при токе дуги 1.5 кА, и модельное представление ионизационно-рекомбинационного фронта (г)

4. Созданы опытные образцы эксиламп барьерного разряда на инертных газах и смесях инертных газов с галоидами, излучающих в ультрафиолетовой и вакуумной ультрафиолетовой частях спектра, с высокой средней мощностью излучения и большим сроком службы отпаянных излучателей.
Лаборатория оптических излучений, заведующий д.ф.-м.н. В. Ф. Тарасенко

Проведен цикл исследований по созданию эксиламп с высокой мощностью излучения и большим сроком службы. Определены оптимальные условия возбуждения газовых смесей. Установлены параметры, при которых взаимодействие галоидов со стенками кварцевой колбы минимально. На основе полученных данных созданы опытные образцы уникальных эксиламп, излучающиющих на узких полосах в УФ и ВУФ областях спектра. В частности, созданы малогабаритные XeCl эксилампы (длина волны излучения 308 нм) со сроком службы отпаянного излучателя более 12 тысяч часов. Срок службы источника питания эксилампы намного превышает время жизни излучателя, что позволяет продлевать срок службы устройства в целом путем замены излучателя. Данная эксилампа имеет значительные перспективы по использованию в медицине.

XeCl эксилампа

Разработана компактная эксилампа с размером выходного окна 80 см 11 см и мощностью излучения 20 Вт на длине волны 222 нм (KrCl) и 30 Вт на длине волны 282 нм (XeBr).

Эксилампа с выходным окном размером 80 см × 11 см

Эксилампы состоят из корпуса с размещенным в нем источником питания, колбы с электродами (излучателя заполненного газовой смесью) и таймера. При подаче на электроды высоковольтных импульсов от источника питания, имеющих частоту следования около 100 кГц и амплитуду до нескольких киловольт в колбе происходит разряд, излучающий с соответствующим газовой смеси спектральным максимумом.

За последние несколько лет создан ряд уникальных образцов эксиламп, по совокупности параметров превосходящих зарубежные. Разработанные эксилампы пользуются спросом на мировом и российском рынках. В 2010 году поставлено по контрактам и программам в Японию и США более 20 различных эксиламп. На основе разработанных эксиламп разрабатываются новые технологии и модернизируются известные, в частности, начаты исследования по дезинфекции помещений.

5. Источники электронных пучков, работающие в форвакуумном диапазоне давлений
В результате исследования особенностей эмиссии электронов из плазмы и процессов формирования и ускорения стационарных и импульсных электронных пучков в ранее недоступной для пламенных эмиттеров форвакуумной области давлений (10 #mdash; 100 мТорр) выявлена определяющее влияние обратного ионного потока из пучковой плазмы на функционирование форвакуумных плазменных источников электронов и их предельные параметры. Наряду с этим показано, что создаваемая в области транспортировки пучка плазма обеспечивает практически полную нейтрализацию зарядки ускоренным электронами изолированного коллектора. Это уникальное свойство форвакуумных плазменных источников электронов открывает возможность непосредственной электронно-лучевой обработки непроводящих материалов. Так, успешно продемонстрированы нагрев, плавка и сварка высокотемпературных керамик.
Лаборатория плазменных источников, заведующий д.т.н. Е. М. Окс. совместно с
Лабораторий НИЧ кафедры физики Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники.

Данный результат завершает очередную стадию цикла исследований, направленного, в конечном счете, на создание новой разновидности источников электронов с плазменным катодом для генерацию стационарных и импульсных электронных пучков в ранее недоступной для пламенных эмиттеров форвакуумной области давлений 10 #mdash; 100 мТорр #mdash; на 1 #mdash; 2 порядка более высоких, чем предельное рабочее давление традиционных плазменных источников электронов. Получение электронных пучков при столь высоких давлениях существенно расширяет возможности известных технологий на основе электронных пучков и открывает новые возможности для их использования. Среди наиболее привлекательных применений #mdash; плазмохимические технологии, а также непосредственная электронно-лучевая модификация диэлектрических материалов.

Возможность генерации плазменными источниками электронных пучков в области повышенных давлений основана на принципе эффективной ионизации эмиссионной плазмы при одновременном сохранении высокой электрической прочности ускоряющего промежутка. Этот принцип реализован путем сочетания в форвакуумном плазменном источнике электронов поло-катодной разрядной системы с плоскопараллельным ускоряющим промежутком (рис. 8). Кроме этого, в конструкции источника предусмотрены технические решения, препятствующие загоранию в ускоряющем промежутке разряда по "длинным путям".

Особенность форвакуумного плазменного источника электронов состоит в заметном и даже определяющем влиянии на процессы его функционирования и предельные параметры обратного потока ионов, образованных в области ускорения и транспортировки ускоренного электронного пучка. Наряду с негативным влиянием обратного ионного потока из пучковой плазмы, часть ионов из этой плазмы, попадая на коллектор, оказывает нейтрализующее влияние на процесс зарядки изолированного или непроводящего коллектора ускоренным электронным пучком. Данный эффект дает возможность для непосредственной электронно-лучевой обработки непроводящих материалов. Успешно продемонстрирована электронно-лучевая сварка непроводящей алюмино-оксидной керамики (рис. 9), а также сварка керамики с металлом.

По мощность электронного пучка в непрерывном режиме и плотность энергии в импульсном режиме разработанные форвакуумные источники электронов практически не уступают источникам, функционирующим в традиционной для таких устройств области давлений. Это делает привлекательным использование форвакуумных источников для непосредственной электронно-лучевой модификации свойств непроводящих материалов, в первую очередь различных высокотемпературных керамик.

Электронно-лучевая установка с форвакуумным плазменным источником

Электронно-лучевая сварка керамических деталей