ВАЖНЕЙШИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

2012

Разработан и апробирован метод ударного возбуждения микроволновых генераторов в наносекундном диапазоне длительностей импульсов, позволяющий управлять фазой СВЧ-колебаний. Показано, что выбором скорости нарастания напряжения на фронте питающего напряжения импульса и времени задержки этого импульса обеспечивается фазированное возбуждение как в независимых твердотельных генераторах на диодах Ганна (частота 10 ГГц, длительность импульса 10 нс), так и в параллельных каналах СВЧ-генераторов обратной волны субгигаваттного уровня мощности с сильноточными электронными пучками (10 ГГц, 2 нс; 37 ГГц, 3 нс).

(Отдел физической электроники (зав. отделом д.ф.-м.н. В.В. Ростов), совместно с Институтом электрофизики УрО РАН.)

Показано, что характерным свойством интеграла Фурье для спектральных компонент тока на входе произвольного СВЧ-генератора является в общем случае тонкая структура (изрезанность) фазы, как функции частоты, в полосе отрицательной реабсорбции ΔF, исчезающая, если фронт тока задаётся гладкой функцией и имеет достаточно большую крутизну (dJ/dt)_max >> ΔF· J₀, где J₀ — амплитудное значение тока за фронтом. Для такого типа ударного возбуждения генератора имеет место качественное различие в процессе установления колебаний: фаза уже не случайна, а фиксирована и характеризуется величиной ωt^*, где ω — циклическая частота колебаний, ^* — момент времени, соответствующий максимальной производной тока (dJ/dt)_max на фронте его нарастания. На примере генератора черенковского типа условие можно переписать как требование к длительности фронта: t_J = J₀/(dJ/dt)_max << T/C.
Здесь T — период СВЧ-колебаний, C — нормированный параметр усиления, характеризующий ширину полосы взаимодействия частиц и СВЧ-полей. Важно, что C << 1. Постоянство фазы затравочного сигнала в полосе генерации полностью аналогично модуляции тока на входе в прибор внешним монохроматическим сигналом с достаточно большой амплитудой. Для фазируемых диодов Ганна, как показали эксперименты, скорость нарастания напряжения должна превышать 10¹¹ В/с.

Эксперименты в ИСЭ СО РАН с двухканальным СВЧ-генератором черенковского типа (режим сверхизлучения: до 0.4 ГВт, длительность до 3 нс), проводятся с 2009 года на стенде «Ника-2». В конце 2011 г. стенд был модифицирован для раздельного обострения фронта напряжения в каналах и задержки с пикосекундным уровнем контроля на основе нелинейных линий, частично заполненных ферритом во внешнем магнитном поле H₀. При амплитуде импульсов до 300 кВ получены скорости роста напряжения до 1.3·10¹⁵ В/с. Для оптимизации использованы результаты специальных исследований нелинейных линий на основе насыщенных NiZn ферритов, имеющие самостоятельное значение для физики формирования ударных электромагнитных волн. Режимы фазовой синхронизации фиксировались с помощью детекторных измерений и регистрации свечения газоразрядной панели. Показана возможность электронного сканирования диаграммой в импульсно-периодическом режиме.

Совместные эксперименты в ИЭФ УрО РАН решали еще более непростую задачу синхронизации двух каналов, так как: (1) частота генерации была повышена до 37 ГГц (период колебаний 27 пс); (2) квазистационарная генерация импульсов с длительность до 3 нс отвечает много большему числу СВЧ-периодов (до 150 по основанию); (3) применены два высоковольтных импульсных источников питания типа РАДАН-220 — по одному на каждый канал, – а пикосекундная точность их синхронизации достигалась в специально разработанном тригатронном разряднике с общим заземленным электродом (рис. 1). Рисунок 2 иллюстрирует переход от синфазной к противофазной картине сложения полей внесением задержки фронта в одном из каналов на четверть периода колебаний (6.7 пс) при δH₀ ≈ 0.3 кА/м.

Развитый подход может быть распространен на задачи создания многоканальной активной решетки с экстремально высокими плотностями потоков мощности.

Рис. 1. Двухканальный СВЧ-генератор фазируемых импульсов 37 ГГц с мощностью 100 МВт в каж-дом канале и длительностью 2 нс: 1 — антенны; 2 — структуры ЛОВ; 3 — TM01—TE11 модовые конверторы; 4 — катушки подмагничивания; 5 — ферриты.

Рис. 2. Картины интерференции двух волновых пучков на газоразрядной панели, различающиеся смещением фазы на ¶/2, и сигналы микроволнового детектора в фиксированной точке диаграммы.

2. Источник мощного сверхширокополосного излучения с решеткой антенн, возбуждаемых от индивидуальных формирователей биполярных импульсов

(Отдел импульсной техники (зав. отделом ак. Б.М. Ковальчук), лаборатория высокочастотной электроники (зав. лаб. д.ф.-м.н. В.И. Кошелев).

Впервые предложен и реализован подход к созданию мощных источников сверхширокополосного излучения на основе одного генератора монополярных импульсов и формирователей биполярных импульсов, число которых равно числу излучателей в решетке. В формирователях биполярных импульсов использованы двухэлектродные неуправляемые газовые разрядники высокого давления, точность срабатывания которых (50–70 пс относительно запитывающего монопорярного импульса) достаточна для когерентного сложения полей излучаемых импульсов. Созданный четырехканальный (2×2) источник сверхширокополосных импульсов длительностью 3 нс обеспечивает нестабильностью амплитуды суммарного когерентного поля излучения 3 % при частоте повторения импульсов 100 Гц. Эффективный потенциал излучения 400 кВ. Источник позволяет изменять направление волнового пучка в пределах 10° путем варьирования задержек биполярных импульсов в пределах 300 пс, осуществляемого за счет изменении давления газа в разрядниках формирователей. Предложенный подход открывает возможность для создания источников наносекундных сверхширокополосных импульсов с мультимегавольтным эффективным потенциалом.

Рис. 3. Внешний вид источника излучения: 1 — генератор монополярных импульсов, 2 — блок из четырех формирователей биполярных импульсов, 3 — передающие линии, 4 — антенная решетка

3. Получение высокозарядных ионов металлов в плазме вакуумного дугового разряда, нагреваемой микроволновым излучением на частоте верхнего гибридного резонанса.

(Лаборатория плазменных источников (заведующий д.т.н. Е.М. Окс) совместно с Институтом прикладной физики РАН)

Для плазмы вакуумного дугового разряда, удерживаемой в открытых магнитных ловушках типа «пробкотрон» и «антипробкотрон» и нагреваемой излучением мощного импульсного гиротрона с частотой 75 ГГц, показано, что эффективная генерация многозарядных ионов металлов в плазме такого разряда может быть осуществлена не только на частоте электронно-циклотронного резонанса для основной гармоники излучения гиротрона, но и на частоте верхнего гибридного резонанса при меньших магнитных полях. В таких условиях осуществлена генерация пучков ионов гадолиния с зарядовым распределением вплоть до 8+.

Ранее было показано, что нагрев излучением мощных импульсных гиротронов плазмы ионов тяжелых металлов, генерируемой в вакуумном дуговом разряде и удерживаемой в открытых магнитных ловушках типа «пробкотрон» и «антипробкотрон», позволяет существенно повысить температуру плазмы и обеспечить генерацию ионов высоких зарядностей. Поскольку нагрев плазмы излучением гиротрона ограничен величиной магнитного поля, необходимого для обеспечения условий ЭЦР, перспективным представляется поиск условий нагрева плазмы вакуумного дугового разряда при магнитных полях ниже резонансного. Экспериментально показано, что нагрев плазмы может быть осуществлен в условиях верхнего гибридного резонанса (ВГР), частота которого ω_UHR для магнитного поля величиной В и плазмы концентрацией n_e определена как:,
ω_UHR = √ ω_ec² + ω_pl²
где ω_ec – электронная циклотронная частота, а ω_pl плазменная (ленгмюровская) частота. Частота ленгмюровских колебаний инжектированной в ловушку плазмы ионов металла зависит от ее концентрации, которая, в свою очередь, пропорциональна току разряда. Варьируя током разряда и, изменяя тем самым плотность инжектированной плазмы, можно подобрать оптимальные условия ее нагрева в условиях ВГР. Влияние тока дуги на зарядовое распределение ионов платины для вакуумно-дуговой плазмы, удерживаемой в ловушке «антипробкотрон» представлено на рис. 4. Магнитное поле для этого случая — 2,4 Тл, что ниже резонансного магнитного поля для гиротрона с частотой 75 ГГц (2,68 Тл). При достижении оптимальной концентрации плазмы явным образом проявляется ВГР. Дальнейшее увеличение тока разряда приводит к пропорциональному увеличению концентрации плазмы, при этом условия ВГР перестают выполняться и доля высокозарядных ионов – снижается. Зависимости долей тока высокозарядных ионов гадолиния и среднего ионного заряда плазмы в ловушке «пробкотрон» от величины магнитного поля представлены на рис. 5. Достижение максимума среднего ионного заряда плазмы и в этом случае определяются условиями выполнения ВГР. Меньший ток разряда и меньшая величина магнитного поля, при которой достигается ВГР, по сравнению с данными, представленными на рис. 4 объясняется существенно меньшими потерями плазмы при ее инжекции в сходящуюся конфигурацию магнитного поля пробкотрона, чем для случая антипробкотрона, который имеет расходящееся касповое магнитное поле.

Рис. 4. Зависимость доли многозарядных ионов в извлеченном ионном пучке платины и средний заряд ионного пучка от тока вакуумного дугового разряда при нагреве плазмы излучением 75 ГГц при магнитном поле 2,4 Тл ловушки антипробкотрон


Рис. 5. Зависимость доли многозарядных ионов в извлеченном ионном пучке гадолиния и средний заряд ионного пучка от магнитного поля при нагреве плазмы излучением 75 ГГц в ловушке пробкотрон. Ток дуги 150 А