ВАЖНЕЙШИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

2011

1. Впервые обоснована возможность реализации эффективного механизма предыонизации воздуха атмосферного давления при его пробое в сильных электрических полях. Теоретически показано, что быстрые электроны, возникающие при электрическом пробое воздуха после подачи импульса напряжения с коротким фронтом, должны порождать кванты характеристического К-излучения кислорода с энергией 525 эВ, которые могут эффективно инициировать вторичные фотоэлектроны в плотном газе. Этот механизм предварительной ионизации газовой среды объясняет наблюдаемую в экспериментах диффузную форму импульсного высоковольтного разряда в газах атмосферного давления, а также быстрое продвижение стримерного канала атмосферного разряда в неоднородном электрическом поле.
(Лаборатория теоретической физики, лаборатория оптических излучений)

Известно, что при подаче импульса высокого напряжения и предварительной ионизации промежутка можно формировать диффузные (объемные) разряды даже при высоких давлениях газа. Снижение уровня начальной концентрации электронов приводит, как правило, к формированию не объемной, а канальной формы разряда в газе высокого давления. Уже давно отмечено, что при подаче на промежуток высоковольтного импульса большой амплитуды (существенно превышающей напряжение статического пробоя) с крутым передним фронтом даже без специальных мер по предварительной ионизации газа на начальной стадии разряда формируется диффузная (объемная) форма протекания тока.

Теоретические расчеты показали, что быстрые электроны, возникающие при электрическом пробое воздуха при подаче на разрядный промежуток импульса напряжения с коротким фронтом, порождают кванты К-излучения кислорода с энергией 525 эВ. Эти кванты имеют сравнительно большое сечение фотоионизации атомов азота, и их средняя длина свободного пробега в воздухе атмосферного давления составляет несколько миллиметров.

Можно обоснованно полагать, что убегающие электроны приводят к генерации характеристического излучения азота и кислорода с энергией квантов ~0.5 keV, хотя современная диагностическая техника пока не позволяет зафиксировать эти кванты из-за их небольшого количества и практически полного поглощения в газе. Но их появление неизбежно при наличие в промежутке быстрых электронов с энергией, превышающей 1 кэВ. В качестве хорошего индикатора быстрых электронов в газовом разряде можно использовать жесткие рентгеновские кванты, возникающие при торможении этих электронов на аноде и стенках газоразрядной камеры.

Такие эксперименты были проведены с различными генераторами высоковольтных импульсов. Рентгеновское излучение из разряда регистрировалось в различных условиях, в частности, при амплитуде напряжения в падающей волне ~12 кВ. При субнаносекундном фронте импульса (скорость роста напряжения ~10¹⁴ V/s) коронный разряд имел диффузную форму при обеих полярностях импульса напряжения на острийном электроде.

Регистрация квантов тормозного рентгеновского излучения даже при невысоком напряжении на промежутке, но с очень коротким передним фронтом импульса напряжения надежно свидетельствует о присутствии быстрых электронов в таких разрядах. А диффузная форма разряда свидетельствует о высоком уровне предыонизации среды, который создается при генерации и поглощении характеристических квантов рабочего газа.

2. Впервые продемонстрировано многократное (до 3,5 раз) повышение усталостной долговечности сталей аустенитного и мартенситного классов при обработке поверхности материала плотным низкоэнергетическим электронным пучком субмиллисекундной длительности и вскрыты физические механизмы этого явления, заключающиеся в измельчении зеренной и субзеренной структуры, растворении субмикронных и повторном выделении равномерно распределенных наноразмерных частиц карбидной фазы.
(Лаборатория плазменной эмиссионной электроники)

Поверхность усталостного нагружения стали аустенитного класса 08×18Н10Т и мартенситного класса 20×23 обрабатывалась плотным низкоэнергетическим электронным пучком субмиллисекундной длительности на установке "СОЛО". В результате при оптимальном режиме облучения в поверхностном слое толщиной до 10 мкм выявлено измельчение зеренной и субзеренной структуры, растворение субмикронных и повторное выделение равномерно распределенных наноразмерных частиц карбидной фазы. Это позволило увеличить усталостную долговечность образцов аустенитной стали 08×18Н10Т приблизительно в 3,5 раза, а мартенситной стали 20×23 × – в 2 раза.

Рис. 1. Внешний вид установки электронно-пучковой обработки неорганических материалов "СОЛО"


Рис. 2. Изображения структуры ячеистой кристаллизации, формирующейся в поверхностном слое стали 08×18Н10Т, обработанной плотным низкоэнергетическим электронным пучком субмиллисекундной длительности: а - сканирующая электронная микроскопия; б, в – просвечивающая электронная дифракционная микроскопия. Стрелками указаны частицы карбида TiC, расположенные по границам ячеек высокоскоростной кристаллизации

3. Впервые создан многоволновый черенковcкий генератор (МВЧГ) гигаваттных СВЧ-импульсов с линейно поляризованным выходным излучением при распределении поля близком к гауссовому.
(Лаборатория высокочастотной электроники)

Для генерации излучения с линейной поляризацией в МВЧГ было предложено использовать несимметричную по азимуту сверхразмерную (диаметр много больше длины волны излучения) секционированную замедляющую структуру с дифракционным отражателем. На ускорителе "Синус-7М" при энергии электронов 500 кэВ и токе пучка 5 кА (пучок транспортировался в слабом ведущем магнитном поле 4 кГс) получены импульсы излучения с длиной волны 3,25 см с длительностью 25 нс и мощностью 800 МВт. Эффективность генерации излучения составила 30 %. В предложенной конструкции генератора нет традиционно используемого преобразователя поляризации излучения из радиальной в линейную, что позволяет повысить эффективность источника излучения в целом. Применение передвижного дифракционного отражателя без нарушения вакуума позволяет изменять пространственную структуру волнового пучка, что может использоваться при облучении объектов.

Рис. 3. Свечение газоразрядной панели и распределение плотности мощности линейно поляризованного излучения в вертикальной (сплошная линия) и горизонтальной (пунктирная линия) плоскостях при различных положениях дифракционного отражателя

4. Разработан и создан уникальный опытный образец компактного УФ излучателя. Электроразрядная KrF-лазерная система позволяет получить высококачественный пучок с перестройкой длины волны в спектральном диапазоне 247,5–249,5 нм без изменения энергетических параметров излучения. Достигнуты рекордные значения энергии выходного излучения на краю контура усиления в спектральном диапазоне 247.5–247.8 нм, для данного класса лазеров.
(Лаборатория газовых лазеров)

Лазерная система, состоящая из задающего генератора и усилителя, обеспечивает генерацию излучения с энергией 0,3 Дж и с высоким качеством пучка на краю спектрального контура усиления активной среды и работает с частотой повторения до 100 Гц. Определены и реализованы необходимые условия взаимодействия формирующегося излучения с активной средой задающего генератора и усилителя, позволяющие перестраивать длину волны излучения в спектральном диапазоне 247,5–249,5 нм без изменений в энергетических параметрах излучения.

Классическое использование селективного резонатора в задающем генераторе позволяет формировать пучок с хорошим качеством. Однако наличие в нем высокого уровня селективных и неселективных потерь существенно снижает энергию выходного излучения и спектральный диапазон перестройки линии генерации. Используемый в разработанных лазерах генератор накачки обеспечивал удельную мощность, вложенную в разряд, 4–4.2 МВт/см³. Проведенные исследования позволили подобрать нужную конфигурацию разрядного промежутка, однородность и время срабатывания автоматической УФ-предыонизации, при которой зажигался однородный объемный разряд в течение первого полупериода импульса накачки 20 нс. Созданная активная среда в лазерах имела хорошую однородность и высокий коэффициент усиления более 0.13 см^-1.

Использование оригинальной оптической схемы формирования пучка в задающем генераторе с минимальными неселективными потерями и усилении его активной среде усилителя в условиях близких к насыщению, позволило достичь рекордных значений энергии выходного излучения в спектральном диапазоне 247.5–247.8 нм, для данного класса лазеров (рис. 4). В системе управления лазерным комплексом заложена автоматизация всех процессов, а также реализована автоматическая стабилизация заданных параметров излучения. Лазерная система адаптирована к лидарному комплексу, позволяющему регистрировать пары взрывчатых веществ на расстоянии до 50 м с чувствительностью менее 1 ppb.

Рис. 4.




Рис. 5. Внешний вид лазерной системы на несущей раме

5. Запущена мультитераваттная гибридная лазерная система THL-100. Система реализована на основе созданного в 2010 году уникального выходного оконечного усилителя фемтосекундных лазерных импульсов с газовой активной средой (XeF, переход C-A, накачка вакуумным УФ излучением, возбуждаемым в ксеноне сильноточным пучком электронов) и твердотельного (Ti-сапфир) стартового комплекса "Старт-480М". В режиме многопроходного усиления входного пучка с энергией 1,5 мДж в оконечном усилителе, выходная энергия излучения составила 1 Дж, при диаметре пучка 12 см. При последующей компрессии пучка получена рекордная для видимой части спектра (475 нм) пиковая мощность излучения ~ 20 ТВт при длительности импульса 50 фс.
(Лаборатория газовых лазеров; отдел импульсной техники)

Основным результатом работ 2011 года, позволившим получить указанный уровень импульсной мощности излучения, стало осуществление компрессии импульса на выходе оконечного усилителя от длительности примерно в 1 пикосекунду до 50 фемтосекунд. Компрессия осуществлена с помощью плоскопараллельных пластин из плавленого кварца, установленных под углом Брюстера, что позволило минимизировать потери излучения (≤ 2%).

Перед входом в усилитель импульс излучения из стартового комплекса с длительностью 50 фс на длине волны 475 нм удлинялся в призменном стретчере до 1 пс (величина рассчитана по стандартной методике) с отрицательным чирпом. Усиление субпикосекундного лазерного пучка проводилось за 33 прохода в оптической схеме, состоящей из 32 зеркал разного диаметра с коэффициентом отражения 99,5 %. В ходе усиления пучок постепенно увеличивался в диаметре и совершал два круговых обхода на периферии лазерной камеры (вблизи окон фотонакачки, то есть там, где усиление активной среды максимально (~ 4×10^-3 см^-1). Накачка обеспечивала поддержание контура усиления в течении достаточно большого времени, 200–220 нс на половинном уровне интенсивности. В режиме ненасыщенного усиления энергия излучения в усилителе повышалась более чем в 3500 раз, а в режиме, близком к насыщению (энергия насыщения 30–50 мДж/см²) энергия излучения возрастала в 400–500 раз.

Рис. 6. Оконечный усилитель мультитераваттной фемтосекундной лазерной системы THL-100

Активная среда XeF(С-А) усилителя создавалась в шестигранной лазерной кювете с поперечником 25 см при воздействии на смесь газов N₂–XeF₂ потоком УФ излучения на длине волны 172 нм. Это излучении, в свою очередь, генерировалось ксеноном, находящимся вокруг лазерной кюветы в камере диаметром 45 см и возбуждаемым шестью ленточными сильноточными электронными пучками. Общая энергия электронных пучков за фольгой вакуумного диода составляла 6–7 кДж. Энергия ВУФ излучения ксенона, прошедшего в лазерную кювету через окна, составляла 260 Дж.

Качество полученного на выходе системы THL-100 лазерного пучка, как ожидается, допускает его фокусировку и достижение плотности мощности на мишени 10¹⁸–10¹⁹ Вт/см². Это может стать задачей ближайших исследований.